چکیده
– در این مقاله، طراحی و شبیه سازی یک تقویتکنندهی کم نویز (LNA) در فرکانس ۱۰ گیگاهرتز نشان دادهشده است. در طراحی این LNA به منظور دستیابی به بهرهی بالا، از یک HJFET فوق کم نویز شرکت NEC به شمارهی NE32684 در توپولوژی سورس مشترک به صورت ساختار چهار طبقه استفاده شده است. برای حداقل کردن عدد نویز (Noise Figure) تقویتکننده، شبکه ی تطبیق ورودی به گونهای طراحی شده که امپدانس دیده شده از ورودی به سمت منبع، برابر با امپدانس نویز بهینه (ZOPT) گردد. تمامی شبکه های تطبیق ورودی، میانی و خروجی با استفاده از خطوط انتقال مایکرواستریپ روی بسترRO3003 طراحی شدهاند. پس از شبیهسازی به وسیلهی نرمافزار ADS ، بهره و عدد نویز به ترتیب ۵۳/۲ و ۰/۵ دسیبل، توان مصرفی ۱۴۷ میلیوات، و ضرائب VSWR ورودی و خروجی به ترتیب ۱/۹۶ و ۱/۰۱ به دست آمدهاند. در اینجا دو ضریب شایستگی FOM1 و FOM2 به ترتیب ۸۰/۹ و ۱۰۰/۲ محاسبه شدند که نسبت به طرح های پیشین اختلاف محسوسی دارند.

کلید واژه- ۱۰ گیگاهرتز، تقویت کننده کم نویز بهره بالا، توپولوژی سورس مشترک، خطوط مایکرواستریپ ، HJFET

-۱ مقدمه

تقویتکنندهی کم نویز (LNA) یکی از مهمترین و حساس تـرین بخش یک گیرنده ی RF است. در طراحی LNA شش مشخصه ی نویز، بهره، توان، خطینگی، فرکانس کاری و ولتاژ تغذیه به عنوان مهمترین مشخصه ها شناخته می شوند کـه دو هـدف بـه حـداقل رسانیدن عدد نویز (Noise Figure) و تولید بهرهی بالا به همـراه خطینگی مناسب، غالبا از مهمترین اهداف طراحان می باشند. بـه دلیل اینکه تقویتکننـده ی کـم نـویز در اولـین طبقـه ی مسـیر دریافت سیگنال قرار دارد، عدد نویز آن مستقیما به عدد نویز کل سیستم اضافه می شود .[۱] ساختار کلی یک تقویـت کننـده کـم نویز یک طبقه متشکل از سه بخش است: شبکه ی تطبیق ورودی، خود تقویت کننده و شبکه تطبیق خروجی.[۲]با توجه بـه اینکـه عملکـرد یــک LNA، مســتقیما بــر عملکــرد کــل سیســتم تــاثیر میگذارد، لذا طراحی آن بامشخصات مطلوب بسیار مهم است.

در این مقاله به طراحی و شبیه سازی یک LNA در فرکـانس ۱۰ گیگاهرتز پرداخته شده که متناسب بـا کـاربرد هـای در محـدوده فرکانسی X مانند ارتباطات ماهواره ای و رادار می باشد. هـدف مـا

در این تحقیق، طراحی یک LNA با عـدد نـویز کمتـر و بهـره ی بیشتر از کارهای مشابه میباشد.

-۲ طراحی LNA یک طبقه

-۱-۲ انتخاب ترانزیستور و تعیین پارامترهای S

اولین مرحله در طراحی تقویـت کننـده هـای ترانزیسـتوری RF ، انتخاب ترانزیستوری است که بتواند نیاز های طراحـی را بـرآورده سازد. مشخصههای متناسب با اهداف طراحی و در دسترس بودن مدل آن در نرم افزار ADS، موجب شد که ترانزیستور اثر میدانی فوق کم نویز با پیوند نـاهمگون نمـود کـاذب (Pseudomorphic

Ultra Low Noise Hetero Junction FET) را در نخســتین
مرحله از طراحی انتخـاب کنـیم. ایـن ترانزیسـتور از پیونـد بـین AlGaAs آلایش شده با سیلیسیوم و InGaAs آلایش نشده برای تولید الکترون های با قابلیت تحرک بالا استفاده می کند. عدد نویز و بهره ی قابلدسترس آن در فرکانس ۱۰ گیگـاهرتـز، بـه ترتیـب ۰/۴۵و۱۲/۲ دســیبل مــیباشــند .[۳] پــارامترهــای پراکنــدگی (Scatterig Parameter) ترانزیستور در شکلهای ۱ و ۲ مشـاهده می شود. مقادیر به دست آمده از نرم افزار ADS کـاملا بـا مقـادیر

زذتل خغ۱سکطغکطکسغپه

زز شAلع ,لاهلاکغهعطکل y,هق ذصستص

قید شده در برگه مشخصه ترانزیسـتور کـاملا مطابقـت دارد کـه k>1 و ∆>1 همزمان، و یا شرط µ<1 بـه تنهـایی برقـرار باشـند،

نشاندهندهی دقت مدل موجود است. آنگاه تقویت کننده پایدار غیرشرطی و در غیر این صـورت، پایـدار
مشروط است .[۵] برای این پارامترها داریم:

m3

S(1,2) S(2,2) S(1,1)

۲m m1

freq (100.0MHz to 20.00GHz)

m1
freq=10.00GHz
S(1,1)=0.592 / -140.100

impedance = Z0 * ( 0.288 – j0.336
m2

freq=10.00GHz S(2,2)=0.418 / -96.800

impedance = Z0 * ( 0.648 – j0.652
m3
freq=10.00GHz
S(1,2)=0.095 / 18.500

impedance = Z0 * (1.196 + j0.073

(۲) S11S22S12S21۰٫۳۱۶۹٫۸
۲  ۲  ۲۲ S 2  S 1

(۳) ۰٫۹۲۵ ۱۱ K 

S12S21 2
2 S 1

(۴) ۰٫۹۵۸ ۱۱ 

S S  S ۲۲ S
21
12 11

با توجه به مطالب گفتهشده، ترانزیستور در ایـن فرکـانس پایـدار شرطی اسـت. بنـابراین نیـاز اسـت کـه دوایـر پایـداری ورودی و خروجی برای تعیین نواحی پایدار در نمودار اسمیت رسم شود. با این حال برای دوایر پایداری خروجی داریم:

شکل :۱ مقادیر پارامترهای S(1,1) و S(1,2) و(S(2,2

m4

S(2,1)

freq (100.0MHz to 20.00GHz)

m4

freq=10.00GHz S(2,1 )=3 .218 / 39.900 impedance = Z0 * (-1.458 + j0.643)

شکل :۲ مقادیر بهره مستقیم (S(2,1))

بنابراین ماتریس S ترانزیستور در فرکـانس ۱۰ گیگـاهرتز، ولتـاژ درین-سورس ۲ ولت و جریان درین ۱۰ میلی آمپر به صورت زیـر بهدست میآید:

(۱)  ۰٫۰۹۵۱۸٫۵ ۰٫۵۹۲۱۴۰٫۱ S 
۰٫۴۱۸ ۹۶٫۸ ۳٫۲۱۸۳۹٫۹ 
 

-۲-۲ تحلیل پایداری

یکی از اولین شرایطی که تقویتکننـده بایـد آن را تـامین کنـد، عملکــرد پایــدار در کــل محــدودهی فرکانســی اســت. ناپایــداری، هنگامیکه با مدارهای RF سروکار داریم، بـا توجـه بـه فرکـانس، عملکرد و ختم شدگی باعث نوسـان مـیشـود.[۴] بـرای بررسـی پایداری سه پارامتر k، ∆ و µ مطرح می شوند. درصورتیکه شروط

* ( * (S22
(5) ۴٫۵۵۱۲۱٫۹ S11 CL 

۲   ۲ S22

(۶) ۳٫۶۱ S12S21 RL 

۲   ۲ S22

و برای دوایر پایداری ورودی:
)* S* (S
(7) ۲٫۱۳ ۲۲ ۱۱ CS 
۲   ۲ S

۱۱
(۸) ۱٫۱۷ S12S21 RS 

۲  ۲  S

۱۱

که مقادیر C وR به ترتیب، مرکز و شعاع دوایـر پایـداری هسـتند که در شکل ۳ نشـان داده شـده انـد. بـه دلیـل اینکـه S11  ۱ و S22  ۱ هستند، نواحی پایدار، مرکز نمـودار اسـمیت را شـامل میشوند. بنابراین نواحی بیرونی دوایر، پایدار هستند.

شکل :۳ دوایر پایداری ورودی و خروجی