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5-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Applikationen Bild 3:

Applikationen Bild 3: Basislayout eines einstufigen LNAs Bild 4: Modifiziertes Grundlayout Wie bei jedem anderen Breitbandverstärker muss man hier ein etwas höheres Rauschen bei etwas weniger Verstärkung hinnehmen, um den Breitband-Anforderungen von DBS zu entsprechen. Das Vorschalten eines ausgesprochenen Low-Noise-Transistors, wie dem ATF-36077, senkt das Overall Noise unter 0,8 dB im gesamten Band. Diese LNAs wurden unter Einsatz von Avago´s Touchstone for Windows entworfen und bezüglich S-Parametern und Rauschen untersucht. Dabei waren die Enden der IC-Anschlüsse die Bezugspunkte (Bild 1). Der ATF-36163 hat vier Source Leads, die alle für beste RF-Performance an Masse gehören. Die S-Parameter wurden mit einer speziell für das SOT-363-Package entworfenen Testlösung ermittelt. Dabei waren die Effekte des Source Groundings mit einkalkuliert. Das bedeutet eine hohe Unabhängigkeit der Messergebnisse von weiteren Einzelheiten, wie Anschlüsse durch Löcher oder verschiedene Anschlusslängen. Für alle LNAs wurde ein 0,015 Inch dickes dielektrisches Material mit einem Dielektrizitätskoeffizienten von 2,5 genutzt. Im Gegensatz zu auch gebräuchlichem 0,031-Inch-Material entstehen hier geringere Strahlungsverluste, die sich in einem erhöhten Rauschmaß und Stabilitätsproblemen äußern können. Einstufiger LNA für 10,7...12,7 GHz Der ATF-36163 ist bezüglich Rauschen und Verstärkung für 12 GHz spezifiziert, jedoch beträgt der empfohlene Einsatzbereich 10,7 bis 12,7 GHz. Aus dem Datenblatt geht hervor, dass das Rauschen bei Änderung der Frequenz von 12 auf 13 GHz um 0,8 dB fällt. Daher müssen sowohl Eingangs- als auch Ausgangsnetzwerk so ausgelegt werden, dass sich insgesamt eine möglichst gleichmäßige Performance ergibt. Verstärkung und Bandbreite gehen dabei voran, während das Rauschen sekundär bleibt. Zum Glück hat der ATF-36163 einen erfreulich geringen Rauschersatzwiderstand R n , was es möglicht macht, eine größere Bandbreite im Vergleich zu anderen Transistoren zu erreichen. Bild 2 zeigt ein Smith Chart mit dem Verlauf des Rauschmaßes und erreichbaren Verstärkungen als Kreise für den ATF- 36163 bei 12 GHz. Eine lediglich rauschoptimierte Eingangsanpassung würde nur aus einem Shunt-Kondensator am Gate bestehen. Die Kreise suggerieren jedoch einen Kompromiss zwischen Rauschen und Verstärkung. Dabei kommt es zu einer Rauschverschlechterung um etwa 0,2 dB, aber zu einer Verstärkungsverbesserung um 1 dB. Fügt man eine Mikrostrip- Leitung hoher Impedanz in Serie mit dem Shunt-Kondensator hinzu, erhält man die optimale Anpassung. Auch der Ausgang wurde in dieser Form angepasst, um die hohe Verstärkung möglichst in der gesamten Einsatzbandbreite zu erhalten. Das entsprechende Layout zeigt Bild 3. Später erfolgten an drei Stellen Modifikationen, siehe Bild 4. Das führte zu einer besseren Übersichtlichkeit und Praxistauglichkeit. Jumper kamen an der Stelle 1 hinzu. An den Stellen 2 und 3 erfolgten leichte Verbreiterungen. Das Tuning der Schaltung sollte auf ein Optimum zwischen 12,2 und 12,7 GHz oder zwischen 10,7 bis 12,7 GHz ausgerichtet werden. Die Art und Anordnung der Komponenten geht aus Bild 5 und 6 hervor. Die Eingangsanpassung erfolgt mit einem 2,7-pF- Bild 5: Bauteilanordnung auf dem modifizierten Layout Bild 6: Schaltschema des einstufigen ATF-36163-Amplifiers 34 hf-praxis 5/2015

Applikationen Bild 10: Bauteilanordnung auf dem modifizierten Layout Bild 7: Gain vs. Frequency des einstufigen LNAs Bild 8: Basislayout des Two-Stage LNAs. Bild 9: Modifiziertes Grundlayout Blocking-Kondensator in Reihe mit der Transmission Line Z1 sowie einem Shunt- Kondensator in Form eines offenen Stubs Z2. Das Erhöhen der Impedanz von Z1 oder der Einsatz eines C1 mit höherer parasitärer Induktanz wie auch geringerer Kapazität verschlechtern das Rauschen und erhöhen die Verstärkung. Die Ausgangsanpassung besteht aus der Transmission Line Z3 mit Z4 bis Z6, um die Verstärkung im Bereich 10,7 bis 12,7 GHz zu optimieren. Der Ausgangs- Blocking-Kondensator hat 1 pF. Bild 11: Schaltschema des zweistufigen Verstärkers Der 50-Ohm-Chip-Widerstand und die Bypass-Kapazität von 1.000 pF dienen dazu, eine gute VHF-Termination für die Schaltung zu erreichen. Sie finden sich an beiden Betriebsspannungs-Zuführungen und nahe an den radialen Stubs und den High- Impedance Transmission Lines. Bild 7 zeigt den Verlauf der Verstärkung über der Frequenz bei 2 und 1,6 V Bias- Spannung. Lt. Datenblatt ist bei 1,5 V und 10 mA die Verstärkung typisch 9 dB in Bandmitte. Bei 2 V und 15 mA wurden fast 10 dB erreicht. Die Noise Figure variiert von 1,4 bis 1,6 dB im gesamten Band und ist relativ unabhängig vom Bias Point. Auch die Verluste in Eingangs- und Ausgangsnetzwerk wurden gemessen, sodass die Performance des eigentlichen Verstärkers dargestellt werden kann. Das erlaubt den direkten Vergleich mit den Werten aus dem Datenblatt. Der Verlust im Output Matching Network betrug 0,6 dB auf 12 GHz bzw. 0,7 dB auf 12,7 GHz. Basierend auf diesen Messergebnissen muss das Input Matching Network etwa 0,2 dB Verlust bei 12 GHz aufweisen. Das führt zu einem Gesamtrauschmaß von etwa 1,2 dB auf dieser Frequenz. Bezüglich Verstärkung muss man noch die -0,6 dB im Ausgang hinzurechnen und gelangt so zu einer Gesamtverstärkung von über 10 dB auf 12 GHz mit V DS = 1,5 V und I D = 10 mA. Zwei Stufen für 10,7 bis 12,7 GHz Ein Verstärker mit zwei ATF-36163 erreicht eine hohe Performance bei geringen Kosten in einem typischen dreistufigen LNA mit höchstens 1 dB Rauschmaß. Für optimale Leistungsfähigkeit im gesamten Frequenzbereich wurde das Layout in Bild 8 an fünf Stellen modifiziert, s. Bild 9. Zusätzliche Ätzungen erfolgten an den Stellen 1, 2 und 4. Ein zusätzliches Stück der Größe 0,020x0,050 Inch wurde der verbindenden Microstrip Line an Stelle 3 hinzugefügt. An Punkt 5 wurde die Breite des offenen Stubs um 50% reduziert. Die Lage der Bauelemente geht aus Bild 10 hervor, während Bild 11 die Schaltung zeigt. Die Eingangsanpassung besteht aus Z1 und Z2 plus C1 und ist ein Kompromiss zwischen Rauschmaß und Gain von Q1. Die Kopplung der Stufen erfolgt mit Z3 und Z4, wobei Z6 und C2 für eine gleichmäßige Verstärkung im Bereich 10,7 bis 12,7 GHz sorgen. Z7, Z8 und C3 dienen der Ausgangsanpassung an 50 Ohm. hf-praxis 5/2015 35

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