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    ¿Qué es el análisis de presupuesto de RF?

     

    El propósito del análisis de balance de RF es verificar la respuesta de frecuencia de banda ancha y el nivel de potencia de RF de diferentes puntos de prueba en el amplificador limitador. El análisis debe completarse para corregir la temperatura de funcionamiento del peor caso, la pendiente de ganancia y el amplio rango de potencia de entrada de RF.

    Entonces, ¿quién sabe qué es el análisis de presupuesto de RF?

    El diseño básico de un amplificador limitador con un rango dinámico limitador de 40 dB es una cascada de cuatro amplificadores de bloque de ganancia o LNA. El diseño ideal utiliza solo uno o dos dispositivos amplificadores dedicados para reducir la variación de potencia a diferentes frecuencias y minimizar los requisitos de compensación térmica / de pendiente. La Figura 1 muestra el diagrama de bloques de los primeros amplificadores limitadores iniciales antes de la corrección de temperatura y compensación de pendiente.

    Figura 1. Diagrama de bloques del diseño preliminar
    Primero viene un pequeño beneficio, recomiende una técnica para completar el diseño del amplificador limitador de banda ancha:
    1. Administre el rango dinámico de potencia límite y elimine las condiciones de sobremarcha de RF
    2. Optimice el rendimiento dentro del rango de temperatura
    3. Finalmente, corrija la caída de potencia y aplanar la pequeña ganancia de señal
    4. La última corrección menor puede ser necesaria, es decir, después de incorporar la función de ecualización de frecuencia en el diseño, reconsidere la compensación de temperatura.
    Límite de potencia
    El principal problema con el diseño preliminar que se muestra en la Figura 1 es que a medida que aumenta la potencia de entrada de RF, es probable que se produzca una sobremarcha de RF en la etapa de ganancia de salida. Cuando la potencia de salida saturada de cualquier etapa de ganancia excede la entrada máxima absoluta del siguiente amplificador en la cola, se producirá una sobrecarga de RF. Además, el diseño es propenso a ondulaciones relacionadas con VSWR y es probable que se produzcan oscilaciones debido a la alta ganancia no amortiguada en el pequeño paquete de RF.
    Para evitar la sobremarcha de RF, eliminar los efectos de VSWR y reducir el riesgo de oscilación, se puede agregar un atenuador fijo entre cada etapa de ganancia para reducir la potencia y la ganancia. También puede ser necesario un absorbedor de RF en la cubierta de RF para eliminar las oscilaciones. Se necesita una atenuación suficiente para reducir la potencia de entrada máxima de cada etapa de ganancia por debajo del nivel de potencia de entrada nominal del MMIC. Se debe incluir suficiente atenuación para acomodar el margen de potencia de entrada superior, para acomodar los cambios de temperatura y las diferencias entre dispositivos. La Figura 2 muestra dónde se necesita el atenuador de RF en la cadena del amplificador limitador.

    Figura 2. Diagrama de bloques de corrección de sobremarcha de RF
    El amplificador limitador de banda ancha de ADI HMC7891 utiliza cuatro etapas de ganancia HMC462 para permitir que el rango operativo alcance los 10 dBm. La potencia de entrada máxima absoluta es de 15 dBm. Cada etapa de ganancia puede tolerar una entrada de RF máxima de 18 dBm. Siguiendo los pasos de diseño descritos en el párrafo anterior, se ha agregado un atenuador entre las dos etapas de ganancia para asegurar que el nivel máximo de potencia de entrada del amplificador no exceda los 17 dBm. La Figura 3 muestra el nivel de potencia máximo en la entrada de cada etapa de ganancia cuando se agrega un atenuador fijo al diseño.

    Figura 3. Simulación de la relación entre POUT y frecuencia, corrección de sobremarcha de RF

    El diseño está compensado térmicamente para ampliar el rango de temperatura de funcionamiento. El requisito de rango térmico general para limitar las aplicaciones de amplificador es de -40 ° C a + 85 ° C. Según la experiencia, la fórmula de cambio de ganancia de 0.01 dB / ° / nivel se puede utilizar para estimar el cambio de ganancia de un diseño de amplificador de cuatro niveles. La ganancia aumenta a medida que disminuye la temperatura y viceversa. Utilizando la ganancia ambiental como línea de base, se espera que la ganancia total disminuya en 2.4 dB a 85 ° C y aumente en 2.6 dB a –40 ° C.
    Para compensar térmicamente el diseño, se puede insertar un atenuador variable de temperatura Thermopad® disponible comercialmente para reemplazar el atenuador fijo. La Figura 4 muestra los resultados de la prueba de un atenuador Thermopad de banda ancha disponible comercialmente. Según los datos de prueba del Thermopad y los cambios de ganancia estimados, es obvio que se necesitan dos atenuadores Thermopad para compensar térmicamente el diseño del amplificador limitador de cuatro etapas.

    Figura 4. Pérdida de la almohadilla térmica por temperatura
    Decidir dónde insertar el Thermopad es una decisión importante. Debido a que la pérdida del atenuador Thermopad aumentará, especialmente en condiciones de baja temperatura, es una buena práctica evitar agregar componentes cerca del extremo de salida de la cadena de RF para mantener un nivel de potencia de salida de límite alto. La ubicación ideal para el Thermopad es entre las primeras tres etapas del amplificador, que es la ubicación resaltada en la Figura 5.

    Figura 5. Diagrama de bloques de compensación térmica
    En la Figura 7891 se muestra el resultado de la simulación del rendimiento de señal pequeña del HMC6 de compensación térmica de ADI. Antes de la ecualización de frecuencia, el cambio de ganancia se reduce a un máximo de 2.5 dB. Esto está dentro del rango requerido de ± 1.5 dB de cambio de ganancia.

    Figura 6. HMC7891 ganancia de señal pequeña simulada sobre temperatura
    Ecualización de frecuencia
    Esto compensa la caída de ganancia natural en la mayoría de los amplificadores de banda ancha. Hay varios diseños de ecualizador, incluidos los chips MMIC de GaAs pasivos. Los ecualizadores MMIC pasivos son de tamaño pequeño y no tienen requisitos de CC ni de señal de control, por lo que son muy adecuados para limitar el diseño de amplificadores. El número de ecualizadores de frecuencia necesarios depende de la pendiente de ganancia no compensada del amplificador limitador y de la respuesta del ecualizador seleccionado. Una recomendación de diseño es sobrecompensar ligeramente la respuesta de frecuencia para compensar la pérdida de la línea de transmisión y la pérdida del conector, así como los parásitos del paquete que tienen un mayor impacto en la ganancia a frecuencias más altas. La Figura 7 muestra los resultados de la prueba del ecualizador de frecuencia ADI GaAs personalizado.

    Figura 7. Pérdida del ecualizador de frecuencia medida
    El amplificador limitador HMC7891 de ADI requiere tres ecualizadores de frecuencia para corregir la respuesta de pequeña señal compensada térmicamente. La Figura 8 muestra los resultados de la simulación del HMC7891 después de la compensación térmica y la ecualización de frecuencia. Decidir dónde insertar el ecualizador es fundamental para un diseño exitoso. Antes de agregar cualquier ecualizador, recuerde que un amplificador limitador ideal debe distribuir uniformemente la compresión máxima del amplificador entre todas las etapas de ganancia para evitar una saturación excesiva. En otras palabras, en el peor de los casos, cada MMIC debería comprimirse por igual.

    Figura 8. Ecualización de frecuencia de simulación HMC7891 pequeña ganancia de señal sobre temperatura
    En la etapa de diseño actual que se muestra en la Figura 5, se puede agregar un ecualizador conectado en serie con el atenuador Thermopad en la entrada del dispositivo para reemplazar el atenuador fijo en la salida del dispositivo. ¿Por qué hiciste esto? Cuatro razones
    1. Agregar un ecualizador a la entrada del amplificador limitador reducirá la potencia de la primera etapa de ganancia. Por tanto, se reduce la compresión del nivel 1. La reducción en la compresión de la etapa de ganancia es equivalente a la reducción en la limitación del rango dinámico. Además, debido a la pendiente de atenuación del ecualizador, el rango dinámico límite se dispersa en el rango de frecuencia. Cuanto menor sea la frecuencia, más se reducirá el rango dinámico. Para compensar el rango dinámico límite reducido, se debe aumentar la potencia de entrada de RF. Sin embargo, debido a la pendiente del ecualizador, un aumento desigual en la potencia de entrada aumentará el riesgo de sobreexcitación de la etapa de ganancia del amplificador. Es posible agregar un ecualizador a la entrada del dispositivo, pero esta no es la ubicación ideal.
    2. Agregar un ecualizador conectado en serie con Thermopad reducirá la compresión de los siguientes amplificadores. Esto dará como resultado una distribución desigual de la compresión del amplificador entre las etapas de ganancia, reduciendo el rango dinámico límite general. No se recomienda conectar el ecualizador en serie con el atenuador Thermopad.
    3. El uso de uno o más ecualizadores en lugar de atenuadores fijos solo cambiará el nivel de compresión del amplificador de la etapa de salida. Para minimizar esta variación y evitar la sobrecarga de RF, la pérdida del ecualizador debe ser aproximadamente igual al valor de atenuación fijo eliminado del sistema. Además, como se mencionó anteriormente, agregar un ecualizador antes de la etapa de ganancia dará como resultado una dispersión del rango dinámico y la frecuencia limitantes. Para minimizar este efecto, reemplace la menor cantidad posible de ecualizadores.
    4. El ecualizador se puede agregar a la salida del dispositivo. La ecualización de salida reducirá la potencia de salida, pero no producirá una dispersión limitante del rango dinámico. La ecualización de salida produce una pendiente de potencia de salida ligeramente positiva, pero esta pendiente se compensa con el empaquetado de alta frecuencia y las pérdidas del conector.
    El diseño del amplificador limitador de cuatro etapas terminado se muestra en la Figura 9.

    Figura 9. Diagrama de bloques de ecualización de frecuencia
    La Figura 10 muestra los resultados de la simulación de temperatura y potencia de salida de ADI HMC7891. El diseño final logró un rango dinámico límite de 40 dB. En todas las condiciones de funcionamiento, el cambio de potencia de salida del peor caso simulado fue de 3 dB.

    Figura 10. La relación entre el PSAT simulado de HMC7891 y la frecuencia dentro del rango de temperatura

     

     

     

     

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