Antennförstärkare för FM-bandet

Transkript

1 för FM-bandet Radioprojekt Institutionen för elektrovetenskap Lunds tekniska högskola 23 februari 2005 Sammanfattning Denna rapport beskriver tillvägagångssättet för att konstruera en antennförstärkare till FM-bandet. Den har designats för så låg brusfaktor och så hög förstärkning som möjligt. Avsnitt som behandlas i rapporten är val av transistor, biaseringsnät, anpasningsnät samt mätningar med resultat.

2 Innehållsförteckning 1 INLEDNING TEORI Val av transistor Biaseringsnät Anpassningsnät Design av kretskort KONSTRUKTION Finjusteringar Mätningar RESULTAT AVSLUTNING ERKÄNNANDE REFERENSER...11 A MATLABKOD

3 1 Inledning Detta projekt går ut på att bygga en antennförstärkare för FMbandet (88-108MHz). Då antennförstärkaren är det första steget i en radiomottagare är det viktigt att detta steg har hög förstärkning och lågt brus. Detta är viktigt för god känslighet i hela radiomottagaren. Enligt specifikation ska förstärkaren ha en förstärkning större än S 21 2 och brusfaktorn får maximalt vara 2dB mer än F opt. Anpassningsnätet måste konstrueras så att en bandbredd på minst 20MHz uppnås. För att förstärkaren ska kunna anslutas till nästkommande steg ska både in- och utgång anpassas till 50Ω. När design och alla beräkningar är gjorda används ett CADprogram för att rita vårt kretsschema, som lämnas in för tillverkning. När det etsade kretskortet fås ska alla komponenter lödas dit. Till sist ska brusfaktor, kompressionspunkt samt 3:e ordningens interceptpunkt mätas upp på den färdiga förstärkaren. 2

4 2 Teori Här beskrivs hur kretsschemat och komponentvärdena räknades fram teoretiskt. 2.1 Val av transistor Det första som ska bestämmas är vilken transistor som är lämpligast att använda för att klara specifikationen. De viktigaste egenskaperna hos transistorn är förstärkning och brusegenskaper. Många datablad för olika transistorer studeras, valet står mellan BFR92A och BFR520. Slutligen beslutas att BFR520 skall användas på grund av bättre brusegenskaper. En annan fördel med detta val är att vi sedan tidigare har mätt upp transistorns S- parametrar som är viktiga att känna till i kommande beräkningar. Ett stort problem med BFR520 är dess datablad, då brusegenskaper för frekvenser under 200 MHz inte är redovisade. Γ opt finns inte heller med, tanken var att kontakta transistortillverkaren om dessa värden. Tyvärr visade detta sig vara en hopplös uppgift på grund av tidsbrist. Dessa värden har därför uppskattats med hjälp av tidigare erfarenheter. 2.2 Biaseringsnät Biaseringsnätet ska inte vara beroende av strömförstärkningen hos transistorn eller påverkas av temperaturförändringar. Ett biaseringsnät som uppfyller detta är det passivt strömstyrda nätet i figur 2. För att välja arbetspunkt för transistorn avläses brus- och försträknings-egenskaper ur datablad för BFR520. En bra kompromiss mellan dessa egenskaper uppnås med en arbetspunkt på 10mA. För att uppnå denna arbetspunkt beräknas komponentvärdena fram enligt tabell 1. V B väljs till 0,7V för att vara säker på att transistorn befinner sig i sitt aktiva område. V D måste väljas till minst 2 * V B för att inte riskera att förstärkaren blir spänningsstyrd och sattes därför till 1,4V. V CC = 12V V CE = 6V V D = 1,4V V B = 0,7V R C = 560Ω R B1 = 4700Ω R B2 = 1600Ω R B3 = 9100Ω Tabell 1 Figur 1. Valt biaseringsnät 3

5 2.3 Anpassningsnät Efter simulering i Matlab med hjälp av s-parametrar för BFR520 (vid 100 MHz) fås figur 2. I figuren kan man se att inget anpassningsnät på ingången är nödvändigt eftersom mittpunkten i smith-diagramet är inom det stabila området. En kopplingskondensator ansluts på ingången för att förhindra likström från antennen att påverka biaseringsnätet. För att få så hög förstärkning och så lågt brus som möjligt, väljs * konjugatanpassning på utgången. Γ out beräknas i Matlab till 0, ,2419j, denna punkt ritas in i ett Smith-diagram. Då ses att en kondensator i serie och en parallell spole behövs för korrekt anpassning. Värdena på komponenterna beräknades till C4 = 59pF och L 2 = 145nH vid 100MHz. För att isolera signalen från biaseringsnätet har en RFC-spole (L 1 ) kopplats in. Tre stycken avkopplingskondensatorer har lagts till konstruktionen för att jorda eventuell oönskad högfrekvenssignal i biaseringsnätet. De dubbla kondensatorerna C 1 och C 5 jordar höga respektive låga frekvenser. Figur 2. Smithdiagram med stabilitetscirklar för in- och utgång, availablegain cirkel samt bruscirkel för 2dB. 4

6 Figur 3. Teoretisk kopplingsschema 2.4 Design av kretskort När alla komponenter har beräknats är det dags att designa kretskortet, detta görs i McCAD. Det viktigaste i designen är att hålla ledningarna med signal så korta som möjligt. Hela undersidan av kretskortet är ett jordplan, där det är viktigt att få bra jordpunkter borras därför hål i kretskortet. För att förena översidans jordplan med undersidans, lödas en bit ledningstråd i hålen. En speciellt viktig punkt att jorda är transistorns emitter. Layouten visas i figur 4. Figur 4. Kretskortlayout 5

7 3 Konstruktion När alla teoretiska värden beräknats är det dags att bygga själva förstärkaren. Här följer tillvägagångssättet. 3.1 Finjusteringar När kretskortet färdigetsats ska de ytmonterade komponenterna lödas fast. Då detta är klart görs de första mätningarna på antennförstärkarens S-parametrar. Förstärkningen uppfyllde specifikationen på 23dB men var väldigt bredbandig. Anpassningen på utgången var inte som önskat utan låg runt jΩ. För att ändra utgångsimpedansen närmare de önskade 50Ω lades en kondensator till i serie på utgången. Efter beräkningar monterades en kondensator (C 6 ) på 10pF dit. Utgången var nu mycket bättre anpassad. Figur 5. Anpassningsnät på utgången efter justering 3.2 Mätningar De mätningar som ska göras är S-parametrarna, 1dB kompressionspunkt, 3:e ordningens interceptpunkt och brusfaktor. S-parametrarna mäts enkelt upp med hjälp av nätverksanalysatorn. Även 1dB kompressionspunkt mäts med nätverksanalysatorn, som gör detta automatiskt i det önskade frekvensintervallet. För att mäta 3:e ordningens interceptpunkt ansluts signalgeneratorn till nätverksanalysatorn. Signalerna från respektive källa summeras med en combiner vars utsignal skickas in i antennförstärkaren, som i sin tur kopplas in i nätverksanalysatorn. Efter många försök och ändringar av inställningar gick det att mäta 3:e ordningens interceptpunkt i det önskade frekvensintervallet. Brusfaktorn mäts i ett avskärmat rum för att slippa alla yttre störningar. Under mätningen används en bruskälla med två kända brusnivåer och en spektrumanalysator som ansluts till en pc. 6

8 4 Resultat Det första som mäts är S-parametrarna, där S 21 kontrolleras för att se om tillräcklig förstärkning erhålls. I figur 6 ser man att största förstärkningen är 30dB vid 104,75MHz vilket väl uppfyller specifikationen. Egentligen är störst förstärkning önskad vid 100MHz men då B 3bd täcker hela FM-bandet anses detta bra. Figur 6. s 21 för färdiga antennförstärkaren När det konstaterats att S 21 var tillfredsställande skulle S 11 och S 22 studeras. För att ha en stabil förstärkare bör både S 11 och S 22 ligga inne i Smith-diagrammet. I figur 7 syns att S 11 ligger utanför Smith-diagrammet i det aktuella frekvensintervallet. Detta är oroande ur stabilitetssynpunkt. För att se om förstärkaren självsvänger kopplas den in till spektrumanalysatorn med 50Ω inkopplat på ingången. Eftersom inga oönskade signaler syns finns det goda möjligheter för stabilitet. Det går aldrig att anpassa ett helt frekvensintervall utan bara en specifik frekvens, vilket visar sig i figur 8. För denna förstärkare är utgången bra anpassad för de högre frekvenserna i intervallet men sämre för de lägre. 7

9 Figur 7. S 11 för färdiga antennförstärkaren Figur 8. S 22 för färdiga antennförstärkaren 8

10 Kompressionspunkten redovisas i figur 9 och varierar från 0dBm vid 88MHz till 9dBm vid 108MHz. Vilket innebär att förstärkaren kan leverera högre effekt vid högre frekvenser. Mätningen av 3:e ordningens interceptpunkt gav resultat enligt figur 10. Figur 9. Resultat för kompressionsmätningen Figur 10. Resultat för 3:e ordningens interceptpunkt 9

11 Avslutningsvis mättes brusfaktorn, vars resultat presenteras i figur 11. Bruset är som lägst i den övre delen av intervallet, till och med under 1 db. Toppen vid 100MHz kommer från en extern störkälla någonstans i det avskärmade rummet, antagligen från datorn eller spektrumanalysatorn. Figur 11. Resultat Brusfaktormätning 5 Avslutning Vår antennförstärkare har överträffat våra förväntningar vad gäller förstärkning- och brusegenskaper. I och med vår höga förstärkning befarade vi att vi inte skulle klara brusspecifikationen. Mätningen visade dock att vi klarar specifikationen i större delen av intervallet. För att bättre klara förstärkningen i början av intervallet hade vi helst velat flytta förstärkningstoppen till mitt i frekvensintervallet. Vilket också hade gjort att vi klarade bruskravet i hela intervallet. Detta problem hade vi säkert löst genom att mäta och finjustera anpassningsnätet ytterliggare. S 11 är också värt en kommentar, då det är det enda resultat vi inte är nöjda med. En möjlig lösning på problemet kan vara att minska förstärkningen genom att minska I c. Detta görs lätt genom att ändra resistorvärdena i biaseringsnätet. Med erfarenheterna som hämtats in under projektets gång hade vi kunnat förbättra kretskortlayouten. 6 Erkännande Vi vill tacka Göran Jönsson för handledning och givande diskussioner under projektets gång. Vi vill även tacka Filip och Johan som har funnits för handledning under arbetets gång. 10

12 7 Referenser [1] L. Sundström, G. Jönsson, H. Börjeson, Radio Electronics, Department of Electroscience, Lund University, 2004 A Matlabkod smtool; red=[1,0,0]; green=[0,1,0]; yellow=[1,1,0]; blue=[0,0,1]; cyan=[0,1,1]; s1=readspar('spar04.s2p'); s=s1(1,:) delt=abs(sdelta(s)); K=sk(s); drawci(sinstci(s),2,'-',red); drawci(soutstci(s),2,'-',yellow); nfmin =1.2; %uppskattad gammaopt=p2c(0.3,47); %uppskattad rn=0.260; plotc(gammaopt,2,'*',blue); drawci(noisecig(idbp(1.4),nfmin,rn,gammaopt),2,'-',blue,1); gtmax=dbp(sgtmax(s)); ga1=idbp(23-dbp(abs(s(1,2))^2)); drawci(singcib(s,ga1),2,':',cyan,1); %beräkning av gammaout g1=serr(-1,50,50); gs=serc([g1,100e6],20e-9,50); gamout=sgamout(s,0); %Biasering beta=125; %enligt datablad IC=0.01; VCC=12; VCE=6; VD=1.4; VB=0.7; ID=IC/sqrt(beta); IB=ID/sqrt(beta); RC=(VCC-VCE)/(IC+IB+ID); RB1=(VCE-VD)/(ID+IB); RB2=VD/ID; RB3=(VD-VB)/IB; 11