此示例显示了如何为低噪声放大器(LNA)设计宽带匹配网络。据/p>
在RF接收器前端,LNA通常在天线之后或之后立即发现,在遵循天线的第一带通滤波器之后。它在接收器链中的位置确保它处理具有显着噪声内容的弱信号。结果,LNA不仅提供对这种信号的放大,而且还最小化了其自身的噪声占地面积在放大信号上。据/p>
在此示例中,您将设计一个LNA,以使用集总LC元件在指定的带宽上实现目标增益和噪声数字规范。基于直接搜索的方法用于到达输入和输出匹配网络中的最佳元素值。据/p>
图1:据/strong>放大器的阻抗匹配据/p>
设计规格如下。据/p>
放大器是LNA放大器据/p> 中心频率= 250 MHz据/p> 带宽= 100 MHz据/p> 换能器增益大于或等于10 dB据/p> 噪声系数小于或等于2.0 dB据/p> 在50欧姆终止之间运行据/p> 您正在构建带有带通响应的LNA的匹配网络,因此指定匹配,中心频率,增益和噪声数据目标的带宽。据/p>
指定源阻抗,参考阻抗和负载阻抗。据/p>
使用据a href="//www.tatmou.com/de/help/rf/ref/read.html" class="a"> 定义用于分析和设置频率向量的频率点数。据/p>
使用据a href="//www.tatmou.com/de/help/rf/ref/rfckt.rfckt.amplifier.analyze.html" class="a"> LNA必须在稳定的区域中操作,以检查稳定性,绘图据code class="literal">三角洲据/code>和据code class="literal">K.据/code>对于晶体管。使用据a href="//www.tatmou.com/de/help/rf/ref/plot.html" class="a"> 作为情节显示,据span class="inlineequation">
和据span class="inlineequation">
对于感兴趣的带宽中的所有频率。这意味着设备无条件稳定。在相同带宽上查看功率增益和噪声系数行为也很重要。与稳定性信息一起,此数据允许您确定是否可以满足增益和噪声系数目标。据/p>
此图显示了100-MHz带宽上的功率增益。它表明换能器增益在5.5 dB至约3.1dB之间线性变化,并且在频带中心仅实现4.3 dB。它还表明换能器增益之间有足够的净空据code class="literal">GT.据/code>和可用的获得目标实现我们的目标据code class="literal">GT.据/code>10 dB。据/p>
该图显示了噪声系数的变化与频率。无与伦比的放大器清楚地满足目标噪声系数要求。但是,一旦包含输入和输出匹配网络,就会改变。最有可能的是,LNA的噪声系数将超过要求。据/p>
操作区域在200之间据span class="emphasis">-据/em>300 MHz。因此,为此处显示的匹配网络选择带通拓扑。据/p>
图2:据/strong>匹配网络拓扑据/p>
如图2所示,所选择的拓扑是具有顶部耦合[2]的并联谐振器型的直接耦合原型带通网络,其最初被调谐到相对于操作带宽的几何平均频率。据/p>
在初始设计中,所有电感在第一个串联电感的基础上分配相同的值。如[3]所述,选择统一的原型值,使用标准阻抗和频率变换得到去正交化值[1]。并联陷阱中的电容值是使用这个电感值来设置的,以使其在几何平均频率上共振。请注意,有许多设计初始匹配网络的方法。这个例子展示了一种可能的方法。据/p>
使用这一点据a href="//www.tatmou.com/de/help/rf/ref/rfckt.rfckt.seriesrlc.html" class="a"> 通过创建一个由匹配的网络和放大器组成的LNA网络组合在一起据code class="literal">rfckt.cascade据/code>如上一节所示的对象。据/p>
在优化之前有几点需要考虑。据/p>
目标函数:目标函数可以根据手头的问题以不同的方式构建。对于这个例子,目标函数如下面的文件所示。据/p> 成本函数的选择:成本函数是您想要最小化(最大化)以实现近最佳性能的功能。可能有几种方法可以选择成本函数。对于此示例,您可以同时满足两个要求,即获得和噪声系数。要首先创建成本函数,请先找到差异,在最新的优化网络和每个频率下每个要求之间的目标值。成本函数是增益和噪声数字误差值的L2-norm。据/p> 优化变量:在这种情况下,它是一个值的矢量,用于优化匹配网络中的特定元素。据/p> 优化方法:基于直接搜索的技术,MATLAB®功能据a href="//www.tatmou.com/de/help/matlab/ref/fminsearch.html" class="a"> 迭代/函数评估的数量:设置最大值。迭代和函数评估执行,以便在匹配速度与质量之间进行重新执行。据/p> 公差值:指定优化过程应终止的目标函数值的变化。据/p> 优化过程中使用的目标函数据code class="literal">fminsearch.据/code>这里显示。据/p>
优化变量是输入和输出匹配网络的所有元件(电感器和电容器)。据/p>
当优化例程停止时,优化元素值存储在据code class="literal">lc_optimized.据/code>.以下代码将输入和输出匹配网络更新为这些值。据/p>
通过绘制换能器增益和带宽的噪声系数并将其与无与伦比的放大器进行比较来看,可以查看优化结果。据/p>
从图中可以看出,增益和噪声指标均达到了目标要求。为了理解仅考虑换能器增益的优化效果,在上述目标函数中使用代价函数(仅涉及增益项)的第一选择。据/p>
输入匹配网络的优化电感器和电容值如下所示。据/p>
类似地,这里是输出匹配网络的优化电感器和电容值据/p>
[1] Ludwig,Reinhold和Gene Bogdanov。据span class="emphasis">RF电路设计:理论与应用据/em>.Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2009。据/p>
[2] Cuthbert,Thomas R.据span class="emphasis">宽带直接耦合和匹配的RF网络据/em>.格林伍德,方舟:T.R.Cuthbert,1999。据/p>
[3] Cuthbert,T.R.“实际频率技术优化宽带均衡元件。”在据span class="emphasis">2000 IEEE电路和系统国际研讨会。21世纪的新兴科技。诉讼程序(IEEE CAT No.00CH36353)据/em>, 5:401-4。瑞士日内瓦:按Polytech。大学Romandes, 2000。https://doi.org/10.1109/ISCAS.2000.857453。据/p>
[4] Pozar,David M.据span class="emphasis">微波工程据/em>.第四版。霍博肯,新泽西:威利,2012。据/p>
设置设计参数据/h3>
指定设计参数据/h3>
bw = 100e6;据span style="color:#228B22">匹配网络的%带宽(Hz)据/span>FC = 250E6;据span style="color:#228B22">%中心频率(Hz)据/span>gt_target = 10;据span style="color:#228B22">%换能器增益目标(DB)据/span>nftarget = 2;据span style="color:#228B22">%MAX噪声系数目标(DB)据/span>
zs = 50;据span style="color:#228B22">%源阻抗(欧姆)据/span>z0 = 50;据span style="color:#228B22">%参考阻抗(欧姆)据/span>ZL = 50;据span style="color:#228B22">%负载阻抗(欧姆)据/span>
创建放大器对象并执行分析据/h3>
读据/code>方法使用文件中的数据创建放大器对象据a href="matlab:edit('lnadata.s2p');" target="_blank">
lnadata.s2p.据/code>.据/p>
unpatched_amp = read(rfckt.amplifier,据span style="color:#A020F0">“lnadata.s2p”据/span>);据/pre>
《不扩散核武器条约》= 32;据span style="color:#228B22">%分析频率点数据/span>Flower = Fc - (BW / 2);据span style="color:#228B22">%下频段边缘据/span>fupper = fc +(bw / 2);据span style="color:#228B22">上带边据/span>Freq = Linspace(花,富裕,NPTS);据span style="color:#228B22">分析的%频阵据/span>w = 2 * pi * freq;据span style="color:#228B22">%频率(弧度/秒)据/span>
分析据/code>在向量频率点处执行频域分析的方法。据/p>
分析(无匹配_PAMP,FREQ,ZL,ZS,Z0);据span style="color:#228B22">分析不匹配的放大器据/span>
检查稳定性,功率增益和噪声数字据/h3>
阴谋据/code>方法的方法据code class="literal">RFCKT.据/code>对象图据code class="literal">三角洲据/code>和据code class="literal">K.据/code>作为频率的函数来观察晶体管是否稳定。据/p>
图绘图(unpatched_amp,据span style="color:#A020F0">'三角洲'据/span>那据span style="color:#A020F0">'mag'据/span>)举行据span style="color:#A020F0">所有据/span>情节(Unmatched_Amp据span style="color:#A020F0">“K”据/span>) 标题(据span style="color:#A020F0">'器件稳定性参数'据/span>)举行据span style="color:#A020F0">离开据/span>网格据span style="color:#A020F0">在据/span>
情节(Unmatched_Amp据span style="color:#A020F0">'ga'据/span>那据span style="color:#A020F0">'gt'据/span>那据span style="color:#A020F0">'D b'据/span>)据/pre>
情节(Unmatched_Amp据span style="color:#A020F0">'fmin'据/span>那据span style="color:#A020F0">“NF”据/span>那据span style="color:#A020F0">'D b'据/span>)轴([200 300 0 2])图例(据span style="color:#A020F0">“位置”据/span>那据span style="color:#A020F0">“东北”据/span>)据/pre>
设计输入输出匹配网络据/h3>
n_input = 3;据span style="color:#228B22">输入匹配网络的%顺序据/span>n_output = 3;据span style="color:#228B22">%匹配网络的%顺序据/span>wu = 2 * pi * fupper;据span style="color:#228B22">上带边据/span>王= 2π* *花;据span style="color:#228B22">%下频段边缘据/span>w0 = sqrt(wl * wu);据span style="color:#228B22">% 几何平均数据/span>
lvaluesin =(zs /(wu-wl))*(n_input,1);据span style="color:#228B22">%系列和分流器[h]据/span>cvaluesin = 1 /((w0 ^ 2)* lvaluesin(2));据span style="color:#228B22">%分流C [F]据/span>
形成完整的电路与匹配的网络和放大器据/h3>
rfckt.seriesrlc据/code>或据a href="//www.tatmou.com/de/help/rf/ref/rfckt.rfckt.shuntrlc.html" class="a">
rfckt.shuntrlc.据/code>构造器构建匹配网络的每个分支。然后,通过创建一个据a href="//www.tatmou.com/de/help/rf/ref/rfckt.rfckt.cascade.html" class="a">
rfckt.cascade据/code>目的。该示例的输出匹配网络与输入匹配网络相同。据/p>
LC_InitialIn = [LvaluesIn; CvaluesIn];LvaluesOut = LvaluesIn;CvaluesOut = CvaluesIn;LC_InitialOut = [LvaluesOut; CvaluesOut];InputMatchingNW = rfckt.cascade (据span style="color:#A020F0">'ckts'据/span>那据span style="color:#0000FF">......据/span>{rfckt.seriesrlc(据span style="color:#A020F0">“L”据/span>,lvaluesin(1)),据span style="color:#0000FF">......据/span>rfckt.shuntrlc (据span style="color:#A020F0">'C'据/span>CvaluesIn,据span style="color:#A020F0">“L”据/span>,lvaluesin(2)),据span style="color:#0000FF">......据/span>rfckt.seriesrlc(据span style="color:#A020F0">“L”据/span>,lvaluesin(3))});outputmatchingnw = rfckt.cascade(据span style="color:#A020F0">'ckts'据/span>那据span style="color:#0000FF">......据/span>{rfckt.seriesrlc(据span style="color:#A020F0">“L”据/span>,lvaluesout(1)),据span style="color:#0000FF">......据/span>rfckt.shuntrlc (据span style="color:#A020F0">'C'据/span>,cvaluesout,据span style="color:#A020F0">“L”据/span>,lvaluesout(2)),据span style="color:#0000FF">......据/span>rfckt.seriesrlc(据span style="color:#A020F0">“L”据/span>,lvaluesoutout(3))});据/pre>
Matched_Amp = rfckt.cascade (据span style="color:#A020F0">'ckts'据/span>那据span style="color:#0000FF">......据/span>{inputmatchingnw,unpatched_amp,outputmatchingnw};据/pre>
优化输入和输出匹配网络据/h3>
fminsearch.据/code>,用于在此示例中用于执行优化。据/p>
类型(据span style="color:#A020F0">'broadband_match_amplifier_objective_function.m'据/span>)据/pre>
function output = broadband_match_amplifier_objective_function(AMP,LC_Optim,freq,Gt_target,NF,Zl,Zs,Z0) % broadband_match_amplifier_objective_function是目标函数。%输出= BROADBAND_MATCH_AMPLIFIER_OBJECTIVE_FUNCTION (AMP、LC_OPTIM频率,GT_TARGET, NF, Zl, z, Z0) %回报目标函数的当前值存储在输出%评估后更新的元素值对象,AMP。%电感器和电容器的值存储在变量LC_OPTIM。% % BROADBAND_MATCH_AMPLIFIER_OBJECTIVE_FUNCTION是RF工具箱演示的一个目标函数:% Designing Broadband Matching Networks (Part II: Amplifier) % Copyright 2008 The MathWorks, Inc. %确保正元素值,如果有(LC_Optim<=0)输出= inf;返回;对象AMP有几个属性,其中单元阵列'ckts'包含从源到负载的所有电路对象。因为RFCKT。CASCADE被使用了两次,第一次是形成%匹配网络本身,第二次是形成LNA,我们必须%步进通过两组单元数组来访问loop1 = 1:3 AMP.ckts{1}.ckts{loop1}的元素。L = LC_Optim (loop1);AMP.ckts {3} .ckts {loop1}。L = LC_Optim (loop1 + 4);end AMP.ckts{1}.ckts{2}.C = LC_Optim(4);AMP.ckts {3} .ckts {2} . c = LC_Optim (8); % Perform analysis on tuned matching network Npts = length(freq); analyze(AMP,freq,Zl,Zs,Z0); % Calculate target parameters of the Amplifier target_param = calculate(AMP,'Gt','NF','dB'); Gt = target_param{1}(1:Npts,1); NF_amp = target_param{2}(1:Npts,1); % Calculate Target Gain and noise figure error errGt = (Gt - Gt_target); errNF = (NF_amp - NF); % Check to see if gain and noise figure target are achieved by specifying % bounds for variation. deltaG = 0.40; deltaNF = -0.05; errGt(abs(errGt)<=deltaG) = 0; errNF(errNF
硝石= 125;据span style="color:#228B22">%max no迭代据/span>选项= OptimSet(据span style="color:#A020F0">“显示”据/span>那据span style="color:#A020F0">'iter'据/span>那据span style="color:#A020F0">'tolfun'据/span>,1e-2,据span style="color:#A020F0">'maxiter'据/span>,硝);据span style="color:#228B22">%设置选项结构据/span>lc_optimized = [lvaluesin; cvaluesin; lvaluesout; cvaluesout];lc_optimized = fminsearch(@(lc_optimized)broadband_match_amplifier_objective_function(matched_amp,据span style="color:#0000FF">......据/span>lc_optimized,freq,gt_target,nftarget,zl,zs,z0),lc_optimized,选项);据/pre>
迭代Func-count min f(x)过程0 1 30.4869 1 9 28.3549初始单纯x 2 11 25.5302展开3 12 25.5302反射514 25.5302反射6 16 22.8228展开7 17 22.8228反映9 20 19.0289展开9 20 19.0289反映10 21 19.0289反射12 24 24 14.8785展开13 25 14.8785反射14 27 10.721展开15 28 10.721反映17 31 9.84796展开18 32 9.84796反映19 33 9.84796反映21 35 9.84796反映22 379.84796在24199999.84796合同外的合约24 41 9.64666反映26 45 9.64666的合同27 46 9.64666反映28 49 9.64666合同29 49 9.64666反映30 51 9.64666合同31 53 7.9372展开32 55 7.9372合约3356 7.9372反映35 58 7.9372反射36 59 7.9372反射37 60 7.9372反射38 62 5.98211展开39 63 5.98211反映41 65 5.98211反映42 66 5。98211 reflect 43 68 4.31973 expand 44 70 4.31973 contract inside 45 71 4.31973 reflect 46 72 4.31973 reflect 47 73 4.31973 reflect 48 74 4.31973 reflect 49 75 4.31973 reflect 50 77 2.83135 expand 51 79 1.17624 expand 52 80 1.17624 reflect 53 81 1.17624 reflect 54 82 1.17624 reflect 55 84 0.691645 reflect 56 85 0.691645 reflect 57 86 0.691645 reflect 58 88 0.691645 contract inside 59 90 0.691645 contract outside 60 91 0.691645 reflect 61 93 0.691645 contract inside 62 95 0.691645 contract inside 63 96 0.691645 reflect 64 97 0.691645 reflect 65 98 0.691645 reflect 66 100 0.691645 contract inside 67 102 0.691645 contract outside 68 103 0.691645 reflect 69 105 0.691645 contract inside 70 107 0.497434 reflect 71 109 0.497434 contract inside 72 111 0.497434 contract inside 73 112 0.497434 reflect 74 114 0.497434 contract inside 75 116 0.497434 contract inside 76 118 0.444957 reflect 77 120 0.402851 expand 78 122 0 reflect 79 123 0 reflect 80 125 0 contract inside 81 127 0 contract inside 82 128 0 reflect 83 129 0 reflect 84 130 0 reflect 85 131 0 reflect 86 132 0 reflect 87 133 0 reflect 88 134 0 reflect 89 135 0 reflect 90 137 0 contract inside据/pre>
优化外部的合同终止:当前x使用OPTIONS满足终止条件。TolX的1.000000e-04和F(X)使用OPTIONS满足收敛准则。TolFun 1.000000 e-02据/pre>
更新匹配网络,重新分析LNA据/h3>
为了据/span>loop1 = 1:3 matched_amp.ckts {1} .ckts {loop1} .l = lc_optimized(loop1);matched_amp.ckts {3} .ckts {loop1} .l = lc_optimized(loop1 + 4);据span style="color:#0000FF">结尾据/span>matched_amp.ckts {1} .ckts {2} .c = lc_optimized(4);matched_amp.ckts {3} .ckts {2} .c = lc_optimized(8);分析(Matched_amp,freq,zl,zs,z0);据span style="color:#228B22">%分析LNA据/span>
验证设计据/h3>
plot(matched_amp,据span style="color:#A020F0">'gt'据/span>)举行据span style="color:#A020F0">所有据/span>情节(Unmatched_Amp据span style="color:#A020F0">'gt'据/span>)plot(matched_amp,据span style="color:#A020F0">“NF”据/span>)plot(unpatched_amp,据span style="color:#A020F0">“NF”据/span>) 传奇(据span style="color:#A020F0">“G_t匹配”据/span>那据span style="color:#A020F0">'g_t - 无与伦比'据/span>那据span style="color:#A020F0">'NF - 匹配'据/span>那据span style="color:#0000FF">......据/span>'NF - 无与伦比'据/span>那据span style="color:#A020F0">“位置”据/span>那据span style="color:#A020F0">'东'据/span>)轴([频率(1)* 1E-6频率(终端)* 1E-6 0 12])保持据span style="color:#A020F0">离开据/span>
显示优化元素值据/h3>
lin_optimized = lc_optimized(1:3)据/pre>
lin_optimized =.据span class="emphasis">3×1据/em>10.据sup>-7据/sup>×0.5722 0.9272 0.3546据/pre>
Cin_Optimized = LC_Optimized (4)据/pre>
CIN_OPTIMIZED = 6.8526E-12据/pre>
Lout_Optimized = LC_Optimized (7)据/pre>
lout_optimized =据span class="emphasis">3×1据/em>10.据sup>-6据/sup>× 0.0517 0.1275 0.0581据/pre>
Cout_Optimized = LC_Optimized (8)据/pre>
cout_optimized = 5.4408e-12据/pre>
参考文献据/h3>
相关的话题据/h2>