Antennförstärkare för UHF-bandet

Transkript

1 Radioprojekt 2009 ETI 041 Kursansvarig: Göran Jönsson Antennförstärkare för UHF-bandet I denna rapport konstrueras en antennförstärkare för UHF-bandet. Rapporten berör de teoretiska delarna, såsom simuleringar, såväl som de praktiska delarna då förstärkaren är konstruerad och mätningar utförs på den. Förstärkningen ligger mellan db och dess brusnivå ligger på 1,6 db. Den är anpassad för 75 Ω. Hossein Johari, E05 Andreas Gustafsson, E05

2 Innehållsförteckning 2. Inledning Design Specifikationskrav Val av transistor Biasering Design av utgång Design av ingång Resultat Simulering Layout Mätresultat Avslutning Erkännande Referenser Appendix

3 2. Inledning Under detta projekt ska en antennförstärkare för UHF-bandet konstrueras. Antennförstärkaren är det första steget efter antennen och enligt Friis formel (se ekvation 1 i appendix) bestämmer det första steget till största del brusegenskaperna för mottagaren. Det är därför viktigt att ha en låg brusnivå ut från första steget, men samtidigt ha en hög förstärkning som undertrycker bruset i mottagaren. För att göra det hela intressantare, ställs det några krav på vad förstärkaren ska uppfylla vad det beträffar brusnivå och impedansanpassning. 3. Design 3.1. Specifikationskrav Antennförstärkaren ska klara av följande krav: Brusfaktor som är maximalt 2 db större än F opt = 1,1 db Ingång och utgång som är anpassade till 75 Ω Antennförstärkaren är avsedd för UHF-bandet, d.v.s. den ska uppfylla dessa specifikationskrav för frekvenserna MHz Val av transistor En antennförstärkare bör ha en låg brusnivå och en hög förstärkning, eftersom en hög förstärkning närmast mottagarantennen undertrycker bruset. Valet av transistor är då av stor vikt, eftersom det är den komponent i kretsen som generar mest brus. Eftersom transistorn BFG520 har goda brusegenskaper vid hög förstärkning, är den ett bra val för detta projekt. Transistorn finns i två olika kapslar, BFG520 samt BFG520X. Skillnaden mellan kapslarna är att de båda emitterbenen sitter bredvid varandra på BFG520 kapseln, medan de sitter på diagonalen på BFG520X. Detta har betydelse för layouten på PCB:n. Eftersom transistorn används i en CEkonfiguration (se figur 1 i appendix), så faller valet på kapseln BFG520X. 3

4 3.3. Biasering Till förstärkaren används en strömstyrd biasering (se figur 1). Valet av kollektorström är avgörande för transistorns förstärkning- och brusegenskaper. Efter en avvägning mellan förstärkning- och brusegenskaperna (se diagrammen för förstärkning och brus i figur 3 och figur 4 i appendix), väljs kollektorströmmen till 10 ma, vilket bör ge en hyfsat god förstärkning i UHF-bandet, men ändå klara bruskraven. I figurerna står det också angivet för vilken V CE som kurvorna gäller. Nu kan biaseringsnätet räknas ut med de givna parametrarna: I C = 10 ma V CC = 12,0 V V CE = 6,0 V V BE = 0,7 V β = 120 Genom följande förhållanden bestäms de olika strömmarna: I C = β I B I B = I C 10 ma = = 0,083 ma β 120 I D = β I B = 120 0,083 ma = 0,913 ma R C = V CC V CE 6,0 V = I C + I D + I B (10,0 + 0, ,083) ma 546 Ω Enligt en tumregel, ska V D ligga inom intervallet (V CE V BE ) > V D > 2 V BE. Spänningen V D ansätts till 2,0 V, vilket leder till: R B1 = V CE V D (6,0 2,0) V = I D + I B (0, ,083) ma = 4016 Ω R B2 = V D = 2,0 V I D 0,913 ma = 2191 Ω R B3 = V D V BE I B = (2,0 0,7) V 0,083 ma = 15,662 kω 4

5 Figur 1 Strömstyrd biasering 3.4. Design av utgång Förstärkningen varierar med frekvensen, vilket betyder att det inte är någon trivial uppgift att hålla förstärkningen på en bra nivå i hela UHF-bandet. För att få ut så mycket effekt i lasten som möjligt, effektanpassas utgången. Detta uppnås genom en konjugatanpassning, vilket kan utföras med ett L-nät av högpasskaraktär. Alla beräkningar till L-nätet simuleras i ADS (Advanced Design System) Design av ingång Ingången på förstärkaren bestämmer brusegenskaperna. Det är därför viktigt att optimera ingångsnätet så att brusnivån blir så låg som möjligt. ADS är ett mycket kraftfullt verktyg som kan simulera samt optimera brusegenskaperna. 5

6 4. Resultat 4.1. Simulering För att kunna köra simuleringar på den valda transistorn för detta projekt, krävs dess S-parametrar. Det finns en rad olika alternativ till att få tag på dem. I detta projekt mäts S-parametrarna för transistorn i laborationssalen och läses sedan in i ADS. När detta är gjort följer grovarbetet i ADS. Först byggs kretsen upp utan anpassningsnät och simuleringar utförs med transistorns S-parametrar. Genom att plotta stabilitetscirklarna och studera Smithdiagrammet kan det fastställas att transistorn inte är stabil för alla frekvenser (se figur 2 och figur 3). Figur 2 Stabilitetscirklar för ingången på kretsen utan anpassningsnät, där förstärkaren är stabil utanför cirklarna. 6

7 Figur 3 Stabilitetscirklar för utgången på kretsen utan anpassningsnät Nästa steg är att konjugatanpassa utgången på transistorn. För att göra detta finns ett mycket praktiskt verktyg i ADS som heter Tune. Detta verktyg sätter valda komponenter till variabler, som sedan kan justeras efter hand medan beteendet för förstärkaren studeras i Smithdiagrammen. Med detta tillvägagångssätt justeras komponenterna i kompenseringsnätet på utgången, tills det att konjugatanpassningen är uppnådd. Det stabila resultatet kan ses i figur 4. Figur 4 Stabilitetscirklar för utgången på kretsen med anpassningsnät 7

8 4.2. Layout Kortet görs så kompakt som möjligt för att minska längden på signalledarna. Detta är att föredra, då det blir en låg induktans i ledarna. Kretskortet är dubbelsidigt d.v.s., det finns ett heltäckande jordplan på undersidan. Detta skärmar förstärkaren från brus och störningar, samt ger en bra jordning till alla delar av kretsen. Vid alla kritiska jordpunkter finns det en via ner från det övre jordplanet till det undre för en god jordning. För att möjliggöra brusanpassning på ingången görs det plats för extra komponenter i layouten Mätresultat När kortet är etsat och färdigbyggt påbörjas mätningar på förstärkaren. Till en början fungerar inte förstärkaren överhuvudtaget. Efter några mätningar med multimeter upptäcks det att biaseringsströmmen in på basen till transistorn kortsluts via nätverkanalysatorn till jord. För att åtgärda detta problem, monteras en DC-block på ingången vilket leder till att förstärkaren börjar leda. Mätresultaten är över förväntan. Förstärkningen visar sig vara mycket bra och går från 17,8 db till 21 db (se figur 5). Detta ser ut att stämma väldigt bra med simuleringarna i ADS (se figur 6). Figur 5 Uppmätta förstärkningen [db] som funktion av frekvensen [MHz] 8

9 Figur 6 Simulerade förstärkningen [db] som funktion av frekvensen [MHz] Brusmätningen ger också bra resultat, då den ligger runt 1,6 db. Det dyker dock upp en spik vid 590 MHz (se figur 7) som troligtvis beror på att mätningen inte utfördes i ett skärmat rum. Spiken som uppstår i brusmätningen kan bero på någon tv-kanal som sänder på den frekvensen, eller någon lokal störning. Eftersom bruskraven är uppfyllda med en god marginal krävs det inget anpassningsnät på ingången. Figur 7 Brus [db] som funktion av frekvensen [MHz] På utgången däremot krävs ett anpassningsnät som ska anpassas till 75 Ω. Impedansen hamnar nära 75 Ω (se figur 8), vilket betyder att maximal effektöverföring inte uppnås. Detta har inte någon större betydelse, då förstärkarens övriga krav är uppfyllda. 9

10 Figur 8 Utimpedansen för förstärkaren i UHF-bandet Slutligen mäts kompressionspunkterna i hela UHF-bandet. Figur 9 visar att förstärkarens kompressionspunkt ligger vid ungefär +2 dbm ± 1 db, vilket får anses som en hyfsat god nivå. Detta kan jämföras med den kommersiella, monolitiska förstärkaren MAR-1 vars kompressionspunkt ligger på +1,5 dbm (se figur 5 i appendix). Figur 9 Mätning av kompressionspunkt i hela UHF-bandet. 10

11 5. Avslutning Projektet är ett utmärkt sätt att sammanknyta teorin med praktiken. Tidigare erfarenheter säger att teorin oftast skiljer sig från praktiken, men i detta projekt stämmer de teoretiska delarna förvånansvärt bra med de praktiska. Förstärkaren visar sig uppfylla de ställda specifikationskraven. Förstärkningen varierar mellan 17,8-21 db i UHF-bandet, vilket får ses som en god förstärkning. Vad det beträffar brusegenskaperna, så ligger brusnivån för förstärkaren runt 1,6 db, vilket är en bra bit under kravet på 3,1 db. Detta leder till att ingången kan lämnas tom utan något anpassningsnät. På utgången däremot krävs ett anpassningsnät som anpassas till 75 Ω. Impedansen är inte exakt 75 Ω för frekvensbandet, vilket kan bero på att komponenterna som används på kretskortet inte har exakt samma värde som de som används under simuleringarna i ADS. Strökapacitanserna kan vara en annan anledning, eftersom dessa inte togs med i beräkning under simuleringarna. Att impendansen inte blir exakt 75 Ω betyder att maximal effektöverföring inte uppnås. Detta har inte någon större betydelse, då förstärkarens övriga egenskaper är bra och inte behöver optimeras. Dessa goda resultat bevisar hur kraftfullt ett designverktyg som ADS är och hur ett amatörmässigt projekt kan hamna i klass med kommersiella förstärkarna, som t.ex. den monolitiska transistorn MAR-1. En förbättring på konstruktionen är om kompressionspunkten för förstärkaren höjs, så att förstärkaren kan ta emot starkare signaler. Detta är dock något som kräver mer kunskaper i ADS. 6. Erkännande Ett stort tack till Göran Jönsson för hans goda råd och hjälp av brusmätningar. Vidare vill vi tacka Joakim Eriksson på Sony Ericsson för all tid han har lagt på att lära oss ADS och vi vill naturligtvis tacka Lars Hedenstjerna för att ha etsat vårt kretskort. 7. Referenser [1] L. Sundström, G. Jönsson, H. Börjesson, Radio Electronics, Lund University, 2004 [2] L. Sundström, G. Jönsson, Radio Electronics Formulas and Tables, 2004 [3]Mini-kits, 11

12 Appendix Friis formel Ftot = F1 + F2 1 G1 + F3 1 G1G2 + + FN 1 G1G2 GN (1) Figur 1 Kopplingsschema för förstärkaren Figur 2 Layoutbild I Eagle 12

13 Figur 3 Brus [db] och förstärkning [db] som funktion av kollektorström [ma] Figur 4 Brus [db] och förstärkning [db] som funktion av frekvens [MHz] 13

14 Figur 5 Datablad för monolitiska förstärkare av typen MAR 14