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5-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Applikationen Bild 15:

Applikationen Bild 15: Komponentenlage des zweistufigen schmalbandigen LNAs Bild 12: Frequenzgänge des zweistufigen LNAs Bild 13: Grundlayout des schnalbandigeren zweistufigen LNAs Bild 14: Modifikationen zur Optimierung des Two-Stage LNAs für 12,2 bis 12,7 GHz Bild 12 informiert zum Frequenzgang der Gesamtverstärkung des LNAs. Die Kennlinien suggerieren, dass man eine zusätzliche Verstärkung von 1 bis 1,5 dB erhalten kann, indem man einen höheren Bias Point festlegt wie beim beschriebenen einstufigen Verstärker. Die Noise Figure wurde mit 1,35 bis 1,7 dB zwischen 10,7 und 12,7 GHz gemessen. Zweistufiger Verstärker für 12,2...12,7 GHz Die zweistufige Schaltung lässt sich durch Änderungen am Layout schmalbandiger machen. Diese Lösung bietet 1,4 bis 1,9 dB Rauschmaß und über 20 dB Gain. Damit passt sie ebenfalls in einen dreistufigen LNB mit weniger als 1 dB Noise Figure. Das Grundlayout zeigt Bild 13, während man in Bild 14 sechs Modifikationen erkennen kann. An Stelle 1 wurde ein geätzter Spalt gefüllt; auch an Stelle 2 kam Material hinzu. Ein 0,02x0,05 Inch messendes Teil kam am Pad der Stelle 3 hinzu. An den Stellen 4, 5 und 6 sieht man zusätzliche Jumper. Die Bestückung zeigt Bild 15. Die Kennlinien in Bild 16 informieren über die Gesamtverstärkung. Wie man sieht, sind zusätzliche 1 dB Gain erreichbar, wenn man den Bias Point höher legt. Die Verstärkung variiert von 20,5 bis 21,5 dB bei V DS = 2 V und I D = 15 mA. Die Noise Figure wurde gemessen zu 1,4 bis 1,9 dB zwischen 10,7 und 12,7 GHz. Allgemeine Design-Anforderungen beim Gehäuse SOT-363 Ein PCB-Pad-Layout für das sehr kleine Gehäuse SOT-363 (SC-70) zeigt Bild 17. Es ist wichtig, sich genau an diese Vorgaben zu halten, wenn man beste Übereinstimmung zwischen Simulation und Performance in der Praxis anstrebt. Die Pads addieren Shunt- Kapazität an Drain und Gate. Weiter ist zu empfehlen, Durchkontaktierungen nach Masse so nahe wie möglich am Source einzurichten. Die Source-Anschlusslänge von 0,050 inch ist bereits kritisch und kann bei der Frequenz von etwa 13 GHz Instabilitäten verursachen. Für beste Performance sind die Source Leads DC-mäßig zu erden. Dies erfordert auch eine negative Betriebsspannung. Die nominale Gate-Vorspannung beträgt -0,2 V für 10 mA Drain-Strom. Sie kann auch etwas negativer sein, sodass bis zu 15 mA fließen. Bei typischem Betrieb für bestmögliche Verstärkung wählt man V DS zu 2 V und I D zu 15 mA. Mit einem 50-Ohm-Widerstand in der Drain-Leitung des Entkoppel- Netzwerks bedeutet das eine erforderliche Betriebsspannung von 2,75 V. Der LNA befindet sich für gewöhnlich in einem Gehäuse oder in einer RF-schirmenden Umgebung. Diese Umgebung hat Einfluss auf die Gesamt-Performance. Das Hinzufügen von reflektierenden Gehäusewänden, Abschirmungen oder Deckeln kann Strahlungsverluste reduzieren und so das Rauschen um etwa 0,1 dB verbessern, die Verstärkung sogar deutlich mehr (bis über 1 dB). Die hier präsentierten Daten beziehen sich auf das Demonstration Board in einem Metallgehäuse, das den LNA vollständig schirmt. Keiner der vorgestellten LNAs ließ irgendeine Instabilität oder Oszillation in diesem Zustand erkennen. Die Größe des benutzten Gehäuses hängt von verschiedenen Anforderungen an den LNB ab. Abhängig von Höhe und Breite der Umhüllung kann ein Wellenleitungs-Effekt wie in einem Koaxialkabel auftreten. Andere unkalkulierbare Phänomene sind möglich, allen voran Instabilität, die zur Oszillation führt. Die Veranlagung des LNAs plus Umhüllung dazu ist generell abhängig von der Frequenz, auf welcher die Verstärkung maximal wird. Diese Frequenz kann leicht auch unterhalb des Arbeitsbereichs liegen. Eine Idee, dieses Problem zu vermeiden, besteht darin, den Verstärkungsverlauf so breitbandig wie möglich und so genau wie möglich zu messen, um sicherzustellen, dass kein exzessives Gain Peaking außerhalb des Nutzbandes auftritt. Der Einsatz von Blocking-Kondensatoren mit kleinstmöglicher Kapazität hilft, eine Hochpass-Response zu schaffen, um die Verstärkung bei kleinen Frequenzen besser in den Griff zu bekom- 36 hf-praxis 5/2015

Applikationen Bild 16: Gain vs. Frequency beim LNS mit zwei ATF-36163 men. Weiter kann eine Justagemöglichkeit der Impedanzen der Bauelemente zur Bias-Entkopplung zu einer solchen Hochpass-Response der Verstärkung beitragen. Eine Sektionierung kann sich erforderlich machen, um den Wellenleitungs-Modus zu unterbinden. Im schlimmsten Fall muss Microwave-Absorber-Material bei Gehäuse oder Schirmung eingesetzt werden. Der zweipolige Universal-LNB erfordert zwei LNAs, jeder separat vom Feedhorn betrieben. Dies erlaubt es, zwei Kanäle auf der selben Frequenz unterzubringen, erfordert aber auch ein gewisses Maß an Isolation zwischen den beiden LNAs. Der ATF-36163-LNA wurde auf seine „Off“- Isolation hin getestet, indem die normale Gate-Spannung erhalten blieb, aber die Drain-Spannung angeschaltet wurde. Dies führt zu einem Verlust von über 12 dB im Nutzband und bedeutet eine „On-to-off“- Isolation zwischen 20 und 22 dB. Zusammenfassung PHEMT-Bauelemente mit Gehäusen „stateof-the-art“, also Low-Cost-Surface-Mount- Gehäusen, können ein Rauschmaß bei 1 dB erreichen und dabei 9 bis 10 dB Gain produzieren, jeweils auf 12 GHz. Der ATF- 36163 erreicht eine exzellente Performance für einen LNA in der zweiten und dritten Stufe eines LNBs. Gewisse Applikationen akzeptieren ihn sogar in der ersten Stufe. Bild 17: PCB-Pad-Layout (Dimensionen in Inches) ■ Avago Technologies www.avagotech.com NETZWERKANALYSATOREN. REFLEXION UND TRANSMISSION ELEKTRISCHER MESSOBJEKTE – AB 5 Hz BIS 67 GHz (BIS ZU 1,05 THz MIT OPTIONALEN FREQUENZ-EXTENDERN). Druckfehler, evtl. technische Änderungen und Irrtum vor behalten. Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte www.datatec.de/netzwerk hf-praxis 5/2015 37

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