对低噪声放大器的设计匹配网络

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这个例子展示了如何验证输入和输出匹配网络的设计低噪声放大器(LNA)使用增益和噪声图绘制。

在无线通信中,接收器需要能够检测和放大的低功率信号,但并没有大幅增加噪音。因此,放大器通常是用作这些接收器的第一阶段。设计一个放大器,这个示例使用可用的设计技术,包括选择合适的匹配网络,提供了一个合适的增益和噪声之间的妥协。

在本例中,为一个放大器,设计匹配网络rfckt.amplifier对象和分析方法用于检查传感器发电收益,可用功率增益,和最大可用功率增益。该方法圆用于确定最优源反射coiefficent,γ函数fzero用于放大器稳定。

LNA设计规范

LNA设计规范如下:

频率范围:5.10 - 5.30 GHz
噪声图< = 2.2 dB
传感器获得> 11分贝
50欧姆之间操作终端

创建`rfckt.amplifier`对象并检查放大器功率收益和噪声图

创建一个rfckt.amplifier对象来表示在文件中指定的放大器,“samplelna1.s2p”。分析放大器使用分析函数中的放大器频率范围从2 - 10 GHz。

unmatched_amp =阅读(rfckt.amplifier,“samplelna1.s2p”);分析(unmatched_amp 2 e9:50e6:10e9);

画出换能器功率增益(Gt),可用功率增益(遗传算法)和最大可用功率增益(Gmag)。

图绘制(unmatched_amp,“Gmag”,“遗传算法”,“Gt”,“数据库”)

$图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象包含频率(GHz), ylabel级(分贝)包含3线类型的对象。这些对象代表G_{杂志},G_{一},G_ {t}。$

检查电力收益5.2 GHz为了设计输入和输出匹配网络5.2 GHz。没有输入和输出匹配网络,换能器功率增益为5.2 GHz 7.2 dB。这是低于11 dB的增益要求在设计规范和小于可用功率增益。这个放大器也是潜在的不稳定在5.2 GHz,因为可用的最大增益不存在在5.2 GHz。

情节测量最小噪声图(Fmin图()和噪声NF)计算当没有输入匹配网络。指定一个 $x$ 设在4.9 GHz 6 GHz范围,最低噪音测量图。

情节(unmatched_amp“Fmin”,“NF”,“数据库”)轴(1.5[4.9 6 4])传说(“位置”,“西北”)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象包含频率(GHz), ylabel级(分贝)包含2线类型的对象。这些对象代表f{分钟},NF。

在缺乏一个输入匹配网络,噪音上面的图是5.10 - 5.30 GHz 2.2 dB的噪声图要求的规范。

情节增益,噪声图,和稳定性

可用增益和噪声指数函数的源反射系数γ。选择一个适当的γ,提供一个合适的增益和噪声之间的妥协,使用圆的方法rfckt.amplifier对象将常数可用增益和没完没了的嘈杂声图圈史密斯圆图。正如前面提到的,5.2 GHz的放大器可能是不稳定的。因此,以下圆命令还将输入和输出稳定性史密斯圆图上圈。

fc = 5.2 e9;hsm = smithplot;圆(unmatched_amp fc,“刺”,“在”,“刺”,“出”,“遗传算法”10:2:20,…“NF”1.8:0.2:3 hsm);传奇(“位置”,“东南”)

使光标,点击常数可用的数据获得圆。这些数据提示显示以下数据:

可用功率增益(遗传算法)
噪声图(NF)
源反射系数(γ)
输出反射系数(GammaOut)
归一化源阻抗(z)

遗传算法,NF,GammaOut和z都是源反射系数的函数,γ。γ是对应的复数数据光标的位置。一颗恒星(“*”)和一个circle-in-dashed-line也将出现在史密斯圆图。明星代表匹配负载反射系数(GammaL)的复共轭GammaOut。获得最大化的时候GammaL的共轭复数吗GammaOut。circle-in-dashed-line代表的轨迹匹配GammaL当数据指针移动在一个常数可用收益或噪声图圈。

因为这两个S11和S22放大器参数小于统一大小,输入和输出稳定的地区包含史密斯圆图的中心。为了使放大器稳定,γ必须输入稳定地区和匹配GammaL必须在输出稳定的地区。输出稳定区域阴影在上面的图。然而,当一个γ能找到一个合适的增益和噪声之间的妥协,匹配GammaL总是不在输出稳定的地区。这使得放大器的稳定是必要的。

放大器的稳定

有一种方法可以稳定一个放大器级联一个并联电阻在放大器的输出。然而,这种方法也会减少增益和添加噪声。的例子,你会注意到整个增益和噪声仍然符合要求。

找到最大分流电阻的值,使放大器无条件稳定,使用fzero函数找到电阻值稳定μ等于1。的fzero函数总是试图达到目标函数值为0,那么目标函数应该返回个。

类型(“lna_match_stabilization_helper.m”)

函数mu_minus_1 = lna_match_stabilization_helper (propval、fc、电路、元素、propname) % lna_match_stabilization_helper个回报稳定。% MU_MINUS_1 = LNA_MATCH_STABILIZATION_HELPER (PROPVALUE、FC、电路,%元素,PROPNAME)回报稳定参数个电路,电路%的属性叫做PROPNAME一个元素,元素设置为% PROPVAL。% % LNA_MATCH_STABILIZATION_HELPER是射频%的helper函数工具箱演示:设计匹配网络(第1部分:网络与一个放大器%,集中元素)。% 2007 - 2008版权MathWorks公司集(元素、propname propval)分析(电路,fc);mu_minus_1 = stabilitymu (ckt.AnalyzedResult.S_Parameters) - 1;

计算目标函数的参数,并通过目标函数fzero获得最大分流电阻的值。

stab_amp = rfckt.cascade (“电路”,{unmatched_amp, rfckt.shuntrlc});R1 = fzero (@ (R1) lna_match_stabilization_helper (R1, fc、stab_amp stab_amp.Ckts {2},“R”),1 e5 [1])

R1 = 118.6213

发现γ和GammaL

级联一个118欧姆的电阻在放大器的输出和分析级联网络。把新的常数可用增益和没完没了的嘈杂声图圈史密斯圆图。

shunt_r = rfckt.shuntrlc (“R”,118);stab_amp = rfckt.cascade (“电路”,{unmatched_amp, shunt_r});分析(stab_amp fc);hsm = smithplot;圆(stab_amp fc,“遗传算法”17,“NF”1.80:0.2:3 hsm)传说(“位置”,“东南”)

使用数据光标定位γ。你会发现有一个合适的增益和噪声之间的妥协。

的例子是designined选择γ给14 dB的增益和噪声指数为1.84 dB。计算匹配GammaL的复共轭GammaOut数据提示。

γ= 0.67 * exp(1 * 153.6 *π/ 180)

γ= -0.6001 + 0.2979

计算归一化阻抗源。

z = gamma2z(γ1)

z = 0.2080 + 0.2249

计算匹配GammaL等于的复共轭GammaOut。

GammaL = 0.7363 * exp(1 * 120.1 *π/ 180)

我GammaL = -0.3693 + 0.6370

计算归一化负载阻抗。

Zl = gamma2z (GammaL, 1)

Zl = 0.2008 + 0.5586

设计输入匹配网络使用γ

在这个例子中,集中LC元素用于建立输入和输出匹配网络如下:

输入匹配网络由一个并联电容器,Cin,和一个电感器系列,林。使用史密斯圆图和数据指针找到组件值。要做到这一点,首先绘制常数电导循环,它穿过史密斯圆图的中心和十字架的恒定电阻圆γ。

hsm = smithplot;圆(stab_amp fc,‘G’,1“R”真正的(z), hsm);歌舞青春。GridType =“YZ”;持有所有情节(γ“k”。,“MarkerSize”16)文本(真正的(γ)+ 0.05,图像放大(γ)-0.05,“\ Gamma_{年代},“字形大小”12…“FontUnits”,“归一化”)图(0,0,“k”。,“MarkerSize”,16)从

然后,找到的交集点不断的电导和恒定电阻圆。基于上面的线路图,交点的下半部分应该使用史密斯圆图。其标记为一个点。

GammaA = 0.6983 * exp (1 j *(-134.3) *π/ 180);咱= gamma2z (GammaA, 1);丫= 1 /咱;

确定的值Cin从电纳的差异从史密斯圆图的中心到a点即

$2 π f_{c} C_{我 n} = 即时通讯 (\frac{Y_{一个}}{50})$

其中50是参考阻抗。

Cin =图像放大(丫)/ 50/2π/ fc

Cin = 1.1945 e-12

确定的值林电抗的差异从A点γ。也就是说,

$2 π f_{c} l_{我 n} = 50 (即时通讯 (Z_{年代}) - - - - - - 即时通讯 (Z_{一个}))$

林=(图像放大(z) -图像放大(Za)) * 50/2 /π/ fc

林= 9.6522平台以及

使用GammaL设计输出匹配网络

使用前一节中描述的方法设计输入匹配网络设计输出匹配网络和得到的值Cout和笨拙的人。

GammaB = 0.7055 * exp (1 j *(-134.9) *π/ 180);Zb = gamma2z (GammaB, 1);Yb = 1 / Zb;Cout =图像放大(Yb) / 50/2π/ fc

Cout = 1.2194 e-12

笨拙的人=(图像放大(Zl) -图像放大(Zb)) * 50/2 /π/ fc

笨拙的人= 1.4682 e-09

验证设计

创建输入和输出匹配网络。放大器级联输入匹配网络,分流电阻和输出匹配网络构建放大器。

input_match = rfckt.cascade (“电路”,…{rfckt.shuntrlc (“C”、Cin) rfckt.seriesrlc (“L”,林)});output_match = rfckt.cascade (“电路”,…{rfckt.seriesrlc (“L”笨拙的),rfckt.shuntrlc (“C”Cout)});采用多次= rfckt.cascade (“电路”,…{input_match, unmatched_amp、shunt_r output_match});

分析周围的LNA设计频率范围和可用的情节和换能器功率增益。可用的和在5.2 GHz换能器功率增益都是14 dB设计意图。换能器功率增益高于11 dB设计频率范围,符合规范的要求。

分析(LNA、5.05 e9:10e6:5.35e9);情节(LNA、“遗传算法”,“Gt”,“数据库”);

周围的噪音图设计频率范围的阴谋。

情节(LNA、“NF”,“数据库”)

噪声指数低于2.2 dB在设计频率范围,这也符合规范的要求。放大器的噪声指数在5.2 GHz 0.1 dB以上的放大器(1.84 dB),这表明添加分流电阻的噪声。

可用的增益设计方法通常用于放大器匹配。在第二个例子——的一部分设计匹配网络(第2部分:单存根输电线路)同时提出了共轭匹配的例子。