什麼是RF預算分析?

RF預算分析的目的是檢查限幅放大器中不同測試點的寬帶頻率響應和RF功率水平。 必須完成分析,以糾正最壞情況下的工作溫度,增益斜率和較寬的RF輸入功率範圍。

那麼,誰知道什麼是RF預算分析?

極限動態範圍為40 dB的極限放大器的基本佈局是四個增益塊放大器或LNA的級聯。 理想的設計僅使用一個或兩個專用放大器設備,以減少不同頻率下的功率變化,並使熱/斜率補償要求降至最低。 圖1顯示了溫度校正和斜率補償之前的第一個初始限幅放大器的框圖。

圖1.初步設計的框圖
先來一個小好處,推荐一種技術來完成寬帶限幅放大器的設計:
1.管理極限功率動態範圍並消除RF過驅動條件
2.在溫度範圍內優化性能
3.最後,校正電源衰減並展平小信號增益
4.可能需要進行最後的次要校正,即在將頻率均衡功能納入設計後,重新考慮溫度補償
功率極限
圖1所示的初步設計的主要問題在於,隨著RF輸入功率的增加,在輸出增益級可能會發生RF過驅動。 當任何增益級的飽和輸出功率超過隊列中下一個放大器的絕對最大輸入時,就會發生RF過驅動。 另外,該設計易於產生與VSWR相關的紋波,並且由於小型RF封裝中的高無衰減增益,很可能發生振盪。
為了防止RF過驅動,消除VSWR效應並降低發生振蕩的風險,可以在每個增益級之間添加一個固定的衰減器以降低功率和增益。 在RF蓋上可能還需要一個RF吸收器以消除振盪。 需要足夠的衰減以將每個增益級的最大輸入功率減小到MMIC的額定輸入功率水平以下。 必須包括足夠的衰減以適應最高輸入功率裕度,以適應溫度變化和器件之間的差異。 圖2顯示了限制放大器鏈中需要RF衰減器的位置。

圖2. RF過驅動校正框圖
ADI的寬帶限制放大器HMC7891使用四個HMC462增益級,以使工作範圍達到10 dBm。 絕對最大輸入功率為15 dBm。 每個增益級可以承受18 dBm的最大RF輸入。 按照上一段概述的設計步驟,在兩個增益級之間添加了一個衰減器,以確保最大放大器輸入功率電平不超過17 dBm。 圖3顯示了在設計中添加固定衰減器後每個增益級輸入端的最大功率電平。

圖3. POUT和頻率之間的關係仿真,RF過驅動校正

該設計經過熱補償,以擴大工作溫度範圍。 限幅放大器應用的一般熱範圍要求為-40°C至+ 85°C。 根據經驗,可以使用0.01 dB /°/電平的增益變化公式來估算四電平放大器設計的增益變化。 增益隨著溫度降低而增加,反之亦然。 以環境增益為基準,預計總增益在2.4°C時降低85 dB,在–2.6°C時提高40 dB。
為了對設計進行熱補償,可以插入市售的Thermopad®溫度可變衰減器來代替固定衰減器。 圖4顯示了商用寬帶Thermopad衰減器的測試結果。 根據Thermopad測試數據和估計的增益變化,很明顯,需要兩個Thermopad衰減器來熱補償四級限幅放大器設計。

圖4.熱墊在整個溫度範圍內的損耗
決定在何處插入Thermopad是重要的決定。 由於Thermopad衰減器的損耗會增加,尤其是在低溫條件下,因此,為了避免高限制輸出功率水平,最好避免在RF鏈的輸出端附近添加組件。 Thermopad的理想位置是在前三個放大器級之間,這是圖5中突出顯示的位置。

圖5.熱補償框圖
ADI的熱補償HMC7891小信號性能的仿真結果如圖6所示。在進行頻率均衡之前,增益變化最大減小為2.5 dB。 這在±1.5 dB增益變化的要求範圍內。

圖6. HMC7891在整個溫度範圍內模擬的小信號增益
頻率均衡
這補償了大多數寬帶放大器中的自然增益衰減。 有各種均衡器設計,包括無源GaAs MMIC芯片。 無源MMIC均衡器體積小,沒有直流和控制信號的要求,因此非常適合於限制放大器的設計。 所需的頻率均衡器數量取決於限幅放大器的未補償增益斜率和所選均衡器的響應。 設計建議是對補償傳輸線損耗和連接器損耗以及對較高頻率下的增益有較大影響的封裝寄生效應的頻率響應稍有過度補償。 圖7顯示了定制ADI GaAs頻率均衡器的測試結果。

圖7.測得的頻率均衡器損耗
ADI的HMC7891限幅放大器需要三個頻率均衡器來校正熱補償的小信號響應。 圖8顯示了熱補償和頻率均衡後的HMC7891的仿真結果。 決定在哪裡插入均衡器對於成功設計至關重要。 在添加任何均衡器之前,請記住,理想的限幅放大器應在所有增益級之間平均分配最大的放大器壓縮,以避免過度飽和。 換句話說,在最壞的情況下,每個MMIC應該均等壓縮。

圖8. HMC7891仿真頻率均衡在整個溫度範圍內的小信號增益
在圖5所示的當前設計階段,可以在設備的輸入端添加與Thermopad衰減器串聯的均衡器,以替換設備的輸出端的固定衰減器。 你為什麼這麼做? 四個原因
將一個均衡器添加到限幅放大器的輸入將降低第一增益級的功率。 因此,降低了級別1的壓縮。 增益級壓縮的減小等同於極限動態範圍的減小。 另外,由於均衡器的衰減斜率,限制動態範圍分散在頻率範圍內。 頻率越低,動態範圍越減少。 為了補償減小的極限動態範圍,必須增加RF輸入功率。 但是,由於均衡器的斜率,輸入功率的不均勻增加將增加放大器增益級過驅動的風險。 可以在設備的輸入端添加一個均衡器,但這不是理想的位置。
2.添加與Thermopad串聯連接的均衡器將減少後續放大器的壓縮。 這將導致增益級之間放大器壓縮的分佈不均勻,從而減小了整體極限動態範圍。 不建議將均衡器與Thermopad衰減器串聯。
3.使用一個或多個均衡器代替固定衰減器只會改變輸出級放大器的壓縮水平。 為了最大程度地減少這種變化並避免RF過驅動,均衡器損耗應大致等於從系統中去除的固定衰減值。 另外,如上所述,在增益級之前添加均衡器將導致極限動態範圍和頻率的分散。 為了最大程度地減小這種影響,請更換盡可能少的均衡器。
4.均衡器可以添加到設備的輸出中。 輸出均衡將降低輸出功率,但不會產生限制的動態範圍色散。 輸出均衡會產生一個略為正的輸出功率斜率,但該斜率會被高頻封裝和連接器損耗所抵消。
完成的四級限幅放大器佈局如圖9所示。

圖9.頻率均衡框圖
圖10顯示了ADI HMC7891的輸出功率和溫度仿真結果。 最終設計實現了40 dB的極限動態範圍。 在所有工作條件下,模擬的最壞情況下的輸出功率變化為3 dB。

圖10. HMC7891的模擬PSAT與溫度範圍內的頻率之間的關係

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