Apa itu analisis anggaran RF?

Tujuan analisis anggaran RF adalah untuk memeriksa respons frekuensi pita lebar dan tingkat daya RF dari titik uji yang berbeda dalam penguat pembatas. Analisis harus diselesaikan untuk mengoreksi suhu pengoperasian yang paling buruk, kemiringan penguatan, dan rentang daya input RF yang lebar.

Jadi, siapa yang tahu apa itu analisis anggaran RF?

Tata letak dasar penguat pembatas dengan rentang dinamis pembatas 40 dB adalah kaskade penguat blok empat penguatan atau LNA. Desain ideal hanya menggunakan satu atau dua perangkat amplifier khusus untuk mengurangi variasi daya pada frekuensi yang berbeda dan meminimalkan persyaratan kompensasi termal / kemiringan. Gambar 1 menunjukkan diagram blok penguat pembatas awal pertama sebelum koreksi suhu dan kompensasi kemiringan.

Gambar 1. Diagram blok desain awal
Pertama datanglah keuntungan kecil, rekomendasikan teknik untuk melengkapi desain penguat pembatas broadband:
1. Kelola rentang dinamis daya pembatas dan hilangkan kondisi overdrive RF
2. Mengoptimalkan kinerja dalam kisaran suhu
3. Terakhir, perbaiki power roll-off dan ratakan penguatan sinyal kecil
4. Koreksi kecil terakhir mungkin diperlukan, yaitu, setelah fungsi pemerataan frekuensi dimasukkan ke dalam desain, pertimbangkan kembali kompensasi suhu
Batas daya
Masalah utama dengan desain awal yang ditunjukkan pada Gambar 1 adalah saat daya input RF meningkat, overdrive RF mungkin terjadi pada tahap penguatan output. Ketika daya keluaran jenuh dari setiap tahap penguatan melebihi masukan maksimum absolut dari penguat berikutnya dalam antrian, RF overdrive akan terjadi. Selain itu, desainnya rentan terhadap riak terkait VSWR, dan osilasi mungkin terjadi karena penguatan tinggi yang tidak diredam dalam paket RF kecil.
Untuk mencegah overdrive RF, menghilangkan efek VSWR dan mengurangi risiko osilasi, attenuator tetap dapat ditambahkan di antara setiap tahap penguatan untuk mengurangi daya dan penguatan. Penyerap RF mungkin juga diperlukan pada penutup RF untuk menghilangkan osilasi. Atenuasi yang memadai diperlukan untuk mengurangi daya masukan maksimum dari setiap tahap penguatan di bawah tingkat daya masukan terukur dari MMIC. Atenuasi yang memadai harus disertakan untuk mengakomodasi margin daya input atas, untuk mengakomodasi perubahan suhu dan perbedaan antar perangkat. Gambar 2 menunjukkan di mana attenuator RF diperlukan dalam rantai penguat pembatas.

Gambar 2. Diagram blok koreksi overdrive RF
Amplifier pembatas pita lebar ADI HMC7891 menggunakan empat tahap penguatan HMC462 untuk memungkinkan rentang operasi mencapai 10 dBm. Daya input maksimum absolut adalah 15 dBm. Setiap tingkat penguatan dapat mentolerir input RF maksimum 18 dBm. Mengikuti langkah-langkah desain yang diuraikan dalam paragraf sebelumnya, sebuah attenuator telah ditambahkan di antara dua tahap penguatan untuk memastikan bahwa level daya input amplifier maksimum tidak melebihi 17 dBm. Gambar 3 menunjukkan tingkat daya maksimum pada input dari setiap tingkat penguatan ketika peredam tetap ditambahkan ke desain.

Gambar 3. Simulasi hubungan antara POUT dan frekuensi, koreksi overdrive RF

Desainnya diberi kompensasi termal untuk memperluas kisaran suhu pengoperasian. Persyaratan rentang termal umum untuk membatasi aplikasi amplifier adalah -40 ° C hingga + 85 ° C. Berdasarkan pengalaman, rumus perubahan penguatan sebesar 0.01 dB / ° / level dapat digunakan untuk memperkirakan perubahan penguatan pada desain amplifier empat tingkat. Penguatan meningkat seiring dengan penurunan suhu, dan sebaliknya. Dengan menggunakan ambient gain sebagai baseline, penguatan total diharapkan turun 2.4 dB pada 85 ° C dan meningkat 2.6 dB pada –40 ° C.
Untuk mengkompensasi desain secara termal, attenuator variabel suhu Thermopad® yang tersedia secara komersial dapat dimasukkan untuk menggantikan attenuator tetap. Gambar 4 menunjukkan hasil pengujian attenuator broadband Thermopad yang tersedia secara komersial. Berdasarkan data uji Thermopad dan perkiraan perubahan penguatan, jelas bahwa dua atenuasi Thermopad diperlukan untuk mengkompensasi secara termal desain penguat pembatas empat tahap.

Gambar 4. Kehilangan thermopad atas suhu
Memutuskan di mana akan memasukkan Thermopad adalah keputusan penting. Karena hilangnya attenuator Thermopad akan meningkat, terutama dalam kondisi suhu rendah, sebaiknya hindari menambahkan komponen yang dekat dengan ujung keluaran rantai RF untuk mempertahankan tingkat daya keluaran batas tinggi. Lokasi ideal untuk Thermopad adalah di antara tiga tahap penguat pertama, yang merupakan lokasi yang disorot pada Gambar 5.

Gambar 5. Diagram blok kompensasi termal
Hasil simulasi kinerja sinyal kecil kompensasi termal ADI HMC7891 ditunjukkan pada Gambar 6. Sebelum pemerataan frekuensi, perubahan gain dikurangi hingga maksimum 2.5 dB. Ini berada dalam kisaran yang diperlukan dari ± 1.5 dB perubahan penguatan.

Gambar 6. HMC7891 mensimulasikan penguatan sinyal kecil terhadap suhu
Pemerataan frekuensi
Ini mengkompensasi roll-off keuntungan alami di sebagian besar amplifier broadband. Ada berbagai desain equalizer, termasuk chip MMIC Gaas pasif. Equalizer MMIC pasif berukuran kecil dan tidak memiliki persyaratan sinyal kontrol dan DC, sehingga sangat cocok untuk membatasi desain amplifier. Jumlah penyeimbang frekuensi yang diperlukan tergantung pada kemiringan penguatan yang tidak dikompensasi dari penguat pembatas dan respons dari penyeimbang yang dipilih. Rekomendasi desain adalah untuk sedikit memberikan kompensasi yang berlebihan pada respons frekuensi untuk mengimbangi kehilangan saluran transmisi dan konektor, serta paket parasit yang memiliki dampak lebih besar pada penguatan pada frekuensi yang lebih tinggi. Gambar 7 menunjukkan hasil pengujian equalizer frekuensi ADI GaA kustom.

Gambar 7. Kehilangan equalizer frekuensi yang diukur
Penguat pembatas HMC7891 ADI memerlukan tiga equalizer frekuensi untuk mengoreksi respons sinyal kecil yang dikompensasi secara termal. Gambar 8 menunjukkan hasil simulasi HMC7891 setelah kompensasi termal dan pemerataan frekuensi. Memutuskan di mana akan memasukkan equalizer sangat penting untuk desain yang sukses. Sebelum menambahkan equalizer apa pun, ingatlah bahwa penguat pembatas yang ideal harus mendistribusikan kompresi penguat maksimum secara merata di antara semua tahap penguatan untuk menghindari saturasi yang berlebihan. Dengan kata lain, dalam kasus terburuk, setiap MMIC harus dikompres secara merata.

Gambar 8. HMC7891 simulasi frekuensi pemerataan penguatan sinyal kecil atas suhu
Pada tahap desain saat ini yang ditunjukkan pada Gambar 5, equalizer yang terhubung secara seri dengan atenuasi Thermopad dapat ditambahkan pada input perangkat untuk menggantikan attenuator tetap pada output perangkat. Kenapa kamu melakukan ini? Empat alasan
1. Menambahkan equalizer ke input penguat pembatas akan mengurangi daya tahap penguatan pertama. Oleh karena itu, kompresi level 1 berkurang. Pengurangan kompresi tingkat penguatan setara dengan pengurangan dalam membatasi rentang dinamis. Selain itu, karena kemiringan atenuasi equalizer, rentang dinamis pembatas tersebar dalam rentang frekuensi. Semakin rendah frekuensinya, semakin banyak rentang dinamis dikurangi. Untuk mengimbangi pengurangan rentang dinamis yang membatasi, daya input RF harus ditingkatkan. Namun, karena kemiringan equalizer, peningkatan daya input yang tidak merata akan meningkatkan risiko overdrive tahap penguatan amplifier. Dimungkinkan untuk menambahkan equalizer ke input perangkat, tetapi ini bukan lokasi yang ideal.
2. Menambahkan equalizer yang dihubungkan secara seri dengan Thermopad akan mengurangi kompresi amplifier selanjutnya. Ini akan menghasilkan distribusi kompresi penguat yang tidak merata antara tahap penguatan, mengurangi rentang dinamis yang membatasi secara keseluruhan. Tidak disarankan untuk menghubungkan equalizer secara seri dengan attenuator Thermopad.
3. Menggunakan satu atau lebih equalizer sebagai ganti attenuator tetap hanya akan mengubah tingkat kompresi penguat tingkat keluaran. Untuk meminimalkan variasi ini dan menghindari overdrive RF, kehilangan equalizer harus kira-kira sama dengan nilai redaman tetap yang dihapus dari sistem. Selain itu, seperti disebutkan di atas, menambahkan ekualiser sebelum tahap penguatan akan menghasilkan dispersi rentang dinamis dan frekuensi yang membatasi. Untuk meminimalkan efek ini, ganti penyeimbang sesedikit mungkin.
4. Equalizer dapat ditambahkan ke output perangkat. Pemerataan keluaran akan mengurangi daya keluaran, tetapi tidak akan menghasilkan dispersi rentang dinamis yang membatasi. Pemerataan keluaran menghasilkan kemiringan daya keluaran yang sedikit positif, tetapi kemiringan ini diimbangi oleh pengemasan frekuensi tinggi dan kerugian konektor.
Tata letak penguat pembatas empat tahap yang sudah selesai ditunjukkan pada Gambar 9.

Gambar 9. Blok diagram pemerataan frekuensi
Gambar 10 menunjukkan daya keluaran dan hasil simulasi suhu ADI HMC7891. Desain akhir mencapai rentang dinamis terbatas sebesar 40 dB. Dalam semua kondisi pengoperasian, simulasi perubahan daya keluaran pada kasus terburuk adalah 3 dB.