תכנון מגבר דל רעש (LNA) ל-10GHz

למגברים דלי רעש (LNA, Low Noise Amplifiers) יש השפעה קריטית על מקלטי רדיו. הם מגבירים אותות רדיו דלי הספק הנקלטים באנטנה הגבוהים אך במעט מעל רצפת הרעש, ועושים זאת עם פגיעה נמוכה ככל הניתן ביחס האות לרעש.

ספרת הרעש הכללית (NF) נקבעת ברוב המגברים על ידי הדרגות הראשונות שבקצה הקדמי. ניתן לחשב זאת בעזרת נוסחת פרייס (Friis), נוסחה מס’ 1, המאפשרת לחשב את הרעש ברשת מרובת דרגות.

מתכנני מגברים דלי רעש חייבים להקטין את הרעש תוך התחשבות בשיקולים כגון תיאום עכבות, טכנולוגיית המגבר (כגון טרנסיסטורים דלי רעש) ובחירת תנאים למקדם (bias) מתאים להפחתת רעש. עבור תחום התדרים הזה ניתן למצוא טרנסיסטורי FET מסחריים מן המדף. בתנאי ממתח ועכבות מבוא ומוצא אופטימליים הם יכולים להגיע לספרת רעש נמוכה של 0.3dB . הפסדי החדרה מופיעים בין האנטנה למגבר, והם מיוחסים למעבר בין מוליך הגל למעגלי הקיטוב ולתיאום לא אופטימלי של עכבות רשתות המבוא.

שיפור בתכנון של כל אחת מהיחידות הללו יתבטא בשיפור כללי של ביצועי מכשירי הרדיו. במאמר זה נתאר כיצד נעשה שימוש בסביבת הפיתוח של NI AWR, ובמיוחד בתוכנת Microwave Office ו-Analyst, לצורך תכנון מגבר דל רעש ל-10GHz (איור 1), תוך שיפור ביצועיו בתחום X-band. מאמצי התכנון הושקעו בסימולציות לחקר יכולות רכיב ה-FET ושיפור גמישות התכנון על מנת להפחית את ההפסדים ולשפר את ביצועי ספרת הרעש.

נדון במפורט בפרטי התכנון הבאים:

בחירת טרנסיסטור FET
בחירת מצע וגימור
גיאומטריית תמסורת מוליך הגל
מסנן מעביר פס ותמסורת מוצא
תכנון המארז במטרה לרסן את בעיית התנודות

בחירת ה- FET

ה-FET שנבחר עבור דוגמת תכנון זו הוא מתוצרת Renesas (לשעבר NEC) מסוג NE3515S02.. זהו טרנסיסטור שקל להשיגו והוא עונה על דרישת הביצועים, כולל ספרת רעש מינימלית בתדר 10.4GHz הקרובה ל-0.3dB ומפיק שבח של 12dB. הרכיב מספק הפסדי החזרה (RL) טובים כאשר הוא מתואם להשגת ספרת רעש מינימלית (Gopt). את פרמטרי S המדודים ואת נתוני ספרת הרעש בתלות בממתח אפשר להוריד כקבצי s2p מאתר היצרן [2] .

ספרת הרעש ומעגל RL חושבו ושורטטו בעזרת תוכנת Microwave Office על פי נתוני ספרת הרעש ומקדמי S של ההתקן בתנאי ממתח Vds = 2 V ו Ids = 10mA (איור 2) .

מתוך איור 2 ניתן לראות שעכבת המבוא עבור הטרסיסטור תוכננה לישומים נמוכי רעש בפס X. בתחום החופף, בין מעגל RL (בכחול) לבין מעגל NF (באדום) , מתקבלת ספרת רעש של 0.4dB בקירוב ו-RL של 10dB~. בנוסף על תכנון מעגלים לתיאום העברת העכבה האופיינית של המערכת, שהיא 50 אוהם, אל עכבת המטרה של המגבר, התכנון התחשב גם בגורמים אשר יקטינו את הפסדי ההחדרה של מעגלי התיאום במבוא.

הפסדי אות במעגל המודפס יכולים לנבוע ממספר מקורות, וביניהם החומר הדיאלקטרי ומוליכי הנחושת. הפרמטרים הקריטיים המשפיעים על ביצועי ה-RF של המעגל המודפס הם הקבוע הדיאלקטרי (Dk), הפסדי פיזור ועובי החומר הדיאלקטרי. שינויים ב-Dk, אם כפונקציה של התדירות, הטמפרטורה או סיבות אחרות, עלולים להשפיע לרעה על ביצועי המעגלים האנלוגיים רחבי הסרט. הפיזור, המתייחס לשנויים ב-Dk כפונקציה של התדר, עלול להגרם בגלל מספר תכונות שונות של החומר כולל קטביות החומר הדיאלקטרי, ההפסדים בחומר. אפילו מידת החספוס של מוליכי הנחושת משפיעה על הפסדי המעגל המודפס בתדירויות גבוהות.

יש קשר בין הפסדי המוליכים, ההפסדים הדיאלקטריים והפסדי הקרינה בשל כמה סיבות. עבור עובי קבוע של חומר דיאלקטרי יציגו קוי התמסורת עכבה אופיינית נמוכה יותר ככל שנגדיל את רוחבם, אך תהיה להם נטיה להפסדים דיאלקטריים גבוהים יותר מאשר לקווים צרים. לעומת זאת לקוי תמסורת צרים תהיה עכבה אופיינית גבוהה והפסדי הולכה גבוהים. הפסדי קרינה תלויים בתצורת המעגל, בתכנונו, בעובי החומרים, בקבוע הדיאלקטרי ובתדירות. הפסדי קרינה משמעותיים יכולים לנבוע גם מחוסר תיאום עכבות שמקורם בשינויים בעובי הקו.

בהתחשבות במידע המצוי בדפי הנתונים של הרכיב ובעכבות השונות של קוי התמסורת של המעגל המודפס, החומר שנבחר עבור תכנון זה הוא חומר מצופה נחושת RO4003C מתוצרת חברת Rogers בעובי של 0.305MM. זהו חומר קרמי מצופה, נמוך הפסדים, חסכוני והוא מומלץ מאוד על ידי יצרנים רבים ומתאים לדרישות התכנון.

תמסורת מוליך גל נמוכת הפסדים ורחבת סרט

דרגת המבוא של ה-LNA ממלאת תפקיד קריטי בהבטחה שספרת הרעש המתקבלת היתה אחראית להמרת עכבת המבוא של המערכת, (בדרך כלל 50 אוהם), ל-Gopt של ה-FET תוך הקפדה על מיזעור הפסדי ההחדרה כפי שתואר בפסקה הקודמת. על מנת להקטין את המימדים, וכמו כן את ההפסדים, הוטמע בתכנון זה של ה-LNA שימוש במתאם בין מוליך הגל למיקרוסטריפ. נהוג לתכנן את המגבר ואת המתאם בנפרד עבור עכבה אופיינית של 50 אוהם ( ). אולם לגישה זו יש מגרעות רבות ובינהן היענות לתיאום צר סרט, רגישות לטולרנסים בייצור (של המעגל המודפס וגורמים מכניים) והפסדי תיאום רשתות. בגישה אחרת עכבת המוצא של מוליך הגל תוכננה להיות שווה לעכבת ה-Gopt הנדרשת עבור ה-FET במישור היחוס בכניסת המיקרוסטריפ לצורך השגת NF נמוכה. מכיון שזוהי עכבה מרוכבת, בעלת ערך ממשי וערך מדומה, יש לשים לב לכך במהלך הסימולציות על מנת למנוע סיבוב של מישור היחוס, דבר העלול לגרום לעכבת מקור לא אופטימלית ולספרת רעש גבוהה.

איור 3 מציג את הגיאומטריה האופטימלית עבור מוליך הגל. השימוש בשנאי עכבות מדורג גובה מאפשר את הקטנת עכבת מוליך הגל הנראית מצד המיקרוסטריפ. שנאי העכבות מרובה דרגות, בשילוב צורה אופטימלית של probe and back short position, מספק רוחב סרט גדול יותר.

סימולצית המבוא בוצעה תוך שימוש בסימולטור Analyst™ 3D FEM EM. ההדק הראשון מוקם בכניסת מוליך הגל והשני במישור היחוס של ההתקן. לאחר מספר כיוונונים (כיוון/ אופטימיזציה) של שנאי העכבות, הפרוב ושל ה-back short geometries התקבלה תוצאה (איור 4) שצופנת הבטחה לביצועים ומאששת את הפוטנציאל של תכנון מסוג זה על ידי התאמה ל- Gopt בטווח שבין 9 ל 12 GHz עם סטיה של 0.1dB בלבד מספרת הרעש המינימלית.

מגבר מבוסס על תכנון הכולל שתי דרגות. מקדם הטרנסיסטור עבור שתי הדרגות אף הוא משפיע על ספרת הרעש. לספק הכח דרושה היכולת לספק מתח הנע בין 8 ל-14 וולט ויכולת להתאים את הזרם עבור כל טרנסיסטור. בנוסף יש להבטיח שמעגלי הממתח לא יגרמו לאי יציבות מבחינת RF ולא יצרכו שטח גדול מדי על המעגל המודפס. הפתרון שנבחר עבור מגבר זה התבסס על בקר מקדם יעודי ל-FET () עם ווסת לינארי על מנת להגדיל את טווח מתחי הכניסה (איור 5). באמצעות כיוון הערך של כל נגד, (R1 and R2) אפשר לבקר את הזרם של אחד מהרכיבים על מנת להגיע לערך אופטימלי של NF.

ניתוח המבנה המישורי

השלב הבא, לאחר תכנון תמסורת המבוא, מתמקד במבנה המישורי (איור 6). התכנון היחודי של ה-LNA התבסס על שתי דרגות הגברה עם הגבר כולל של 20dB< ומסנן מעביר פס ביציאה על מנת להקטין את ההגבר מחוץ לפס המעבר.

הסימולציה והאופטימיזציה הראשונית בוצעה בעזרת תוכנת Microwave Office, בתחילה תוך שימוש במודלים של קוי תמסורת מבוזרים בתצורה סגורה ולאחר מכן ביצוע כיוונונים סופיים ואישושי תכן בעזרת סימולטור AXIEM 3D planar- EM. סימולציה מחמירה זו של EM תרמה לצימוד שמתרחש בין האלמנטים המודפסים ולחלקים המכניים (כיסויים, קירות וכד’). תכנון המסנן מעביר הפס (איור 7) תוכנן בהתאם לרוחב הסרט הרצוי של המגבר, בהתחשב בהיענות המשולבת של שתי דרגות המגבר ובהיענות המסומלצת של המסנן, המבוססת על הפרמטרים הרלבנטיים כגון גיאומטריית המסנן, חומרים, ושונות בתהליכים (מקדם דיאלקטרי, צריבה).

תמסורת מוצא

תמסורת המוצא מבוססת על דרגת ה-RF שיש לתכנן לבשלב התכנון האחרון, והיא כוללת מחבר קואקסיאלי הניצב למעגל המודפס. תצורה זו יוצרת אי רציפות בין מוצא קו התמסורת של המסנן מעביר פס למחבר (קוטר הקדח, משטח הנחושת, פתחי הארקה). סימולציית EM ללא כל רשת תיאום מראה שעלולים להופיע הפסדי החזרה לא מספקים בסביבת 6dB. שנאי מדורג לתיאום עכבות (איור 8) שעבר אופטימיזציה בעזרת תוכנת Analyst משפר את הפסדי ההחזרה לערך מתאים יותר של 20dB>.

תכנון המארז

חשוב להתחשב בעובדה שבתדרי תחום X מכסה המארז יכול להשפיע על הביצועים הכוללים עקב תהודה לא צפויה ו/או צימוד. תדר התהודה הוא תדר שבו ערך שלם של מחצית אורך הגל תואם למימדי מארז הסיכוך. צמתיו (nodes) של הגל המופיע בתוך המארז נמצאים על הקיר המוליך של המארז. מבנים אלה מתנהגים כמהוד. לדוגמא, מארז מתכתי במימדים של 2X0.5 אינטש רבוע תוהד באופן תהודה ראשון בסביבות 12 GHz.[].

סיכוך הוא גישת דיכוי קרינה חסכונית ביותר בהשוואה לטכניקות דיכוי אחרות להקטנת קרינות שאינן רצויות. לעתים קרובות, המתכננים משאירים לעיתים את הסיכוך כאפשרות אחרונה היות והוא ניתן להוספה גם לאחר סיום תכנון המעגל. אולם, על ידי שילוב שיקולי סיכוך כבר מתחילת תהליך התכנון המתכנן יכול לספק מערכת חסכונית ובדרך כלל גם יעילה יותר.

לעתים קרובות ממקמים חומר סופג קרינה בתוך המארז על מנת לדכא שדות קורנים העלולים להיוצר. עם זאת, עקב גורמים כגון טמפרטורה ולחות, התברר שאמינות החומרים סופגי הקרינה כושלת בסביבות עויינות עם הזמן. עבור תכנון זה הוחלט לדכא את כל בעיות התהודה על ידי תכנון ייעודי של הכיסוי לצורך סיכוך רכיבים קריטיים במגבר, ומניעת הופעת אופני הולכת גל הקשורים לגיאומטריית המארז (מחיצות לחלוקת אורך, כיסוי במימד הגובה והרוחב). איור 9 מראה את פרטי כיסוי המארז.

שנאי עכבת המבוא של מוליך הגל לדרגה הראשונה של ה-LNA והמחבר הקואקסיאלי במוצא שולבו בפנל ההרכבה האחורי מול כיסוי המארז והם יוצרים מגע עם משטח ההארקה של המעגל המודפס. המעגל המודפס ממוקם בין שתי הכיסויים המתכתיים הללו.

בסוג זה של תכנון מיקום כל החלקים היה פשוט, כאשר המעגל המודפס מוחזק במקומו בעזרת שני כיסויים שסומררו ביחד. החלקים יוצרו באמצעות מכונת CNC על מנת להבטיח את הדיוק המכני של כל הפריטים בסדרה.

לאחר בחינת כמה סוגי ציפויים נבחר ציפוי מסוג SERTEC 650, העונה על דרישות תקן REACH האירופי והשפעתו על הביצועים זניחה. יתרונו העיקרי הוא בהגנה מפני חמצון שהוא נותן ובכך מבטיח שההתקן יפעל לאורך ימים.

תוצאות הסימולציה

כל שלבי הסימולציה בוצעו בעזרת סימולטורי Analyst ו-AXIEM EM ויוצאו כפרמטרי S לתוכנת Microwave Office על מנת לקבל היענות מלאה של המגבר. בשיטה זו אפשר בקלות ובמהירות לבצע אופטימיזציה של כל תת מעגל באופן נפרד על מנת להגיע להיענות הדרושה. לחלופין, אפשר לבצע סימולציה ואופטימיזצית EM משולבת של תת מכלולים אלה עם הרשת השלמה של המגבר באמצעות סביבת התכן NI AWR התומכת באופן הירארכי בתת מעגלים. התוצאה הסופית של הסימולציה (איור 10) היתה מעודדת והדרישות לרוחב הפס, בכל תחום התדרים אכן הושג. יש לציין שהפסדי מוליך הגל בכניסה ואפקט החספוס (שהוא כמעט זניח) של הקווים המודפסים לא נלקח בחשבון בחישוב זה.

תוצאות המדידות

עשרה אבי טיפוס הורכבו ונמדדו על מנת לראות את השונות בינהם. לא נדרש כיוונון ספציפי למארז המעגל המודפס. בחינת התוצאות שהתקבלו במדידות (איור 11) מראות שהן קרובות מאוד לתוצאות הסימולציה. ספרת הרעש היתה גבוה ב-0.1 עד 0.15dB מהמצופה, אך עדיין טובה מאוד (נמוכה מ-0.6db) בכל רוחב הפס של 700MHz. כפי שניבאה הסימולציה, הפסדי ההחזרה בכניסה אששו את צורת התמסורת בין מוליך הגל למיקרוסטריפ, והיציבות הובטחה באמצעות תכנון קפדני של המארז אשר מנע הופעת תנודות עקב צימוד חלש.

סיכום

נדרש רק מהלך תכנוני יחיד על מנת להשיג את הביצועים שנחזו. תכנון זה הדגים את היכולת של סביבת התכן NI AWR לסמלץ מבנה RF מורכב ע”י שימוש בכלים מתאימים לכל סוג של בעיה (מעגלים, מישורי EM ו-3D). המפתח להצלחה היה הבנה נכונה של כל בעיה ובחינתה באמצעות סימולציה, בהתאם.