LNA für 2.4 GHz

[martin]

Hallo,

ich glaube es ist an der Zeit, auch mal ein Rätsel zu stellen.

Diese Schaltung haben wir im Rahmen eines Praktikums in der FH gebaut. Ich möchte wissen was sie macht, und für welche Funktion sie optimiert wurde.

Die Abmessungen sind 28x28 mm.

Viel Spaß beim Rätseln, Martin

[Manf]

Es ist zunächst einmal eine Stripline Schaltung mit einem NPN Transistsor mit (lt. Datenblatt) 25GHz Transitfrequenz der für Oszillatoren bis 10GHz geeignet ist. Er hat eine hohe Verstärkung von 21dB bei 1,8GHz.

Der Kollektor ist oben links die Basis ist unten rechts, die beiden andern sind Emitter an Widerstand (mit Durchkontaktierung?). Es gibt charakteristische Längen von 7,2 und 14,4mm die wohl Lambda Viertel und Lambda Halbe Leitungen sind.

In Luft wären das Leitungen für 10GHz, den Dielektrizitätswert des Substrats muss man noch einbeziehen. Mit dem Kurzschluß der Stichleitung an der Basis und der hohen Impedanz am Kollektor ist es ein selektiver Verstärker oder ein Oszillator.

Soviel mal im ersten Schritt als Beschreibung.
Manfred

[martin]

Soweit schon mal nicht schlecht,

Die Basis ist oben links, der Kollektor unten rechts, konnte man schlecht erkennen, gebe ich zu. Unten rechts am Kollektor ist keine Durchkontaktierung vorhanden. Die Emitter sind Durchkontaktiert ohne Widerstand.

Die breiten Leitungen sind keinen exakten Teiler von Lambda lang. Der Dielektrizitätswert des Substrats beträgt 9,2.

Grüsse, Martin

[Manf]

Dann ist die schmale Leitung vielleicht Lambda Halbe? Mit einem Kondenator gegen Masse am Ende wäre es die Transformation des niedrigen Widerstands an den Kollektorwiderstand.

Bei 15mm und epsilon = 9 käme dann eine Arbeitsfrequenz von 3,3 GHz heraus.
Bei der Frequenz hätte der Transistor nach Smith Diagramm für 2V; 5mA gerade eine geringe Rauschzahl und einen reellen Eingangswiderstand (alles nach Datenblattvorschlag).

Was anderes als ein Verstärker fällt mir im Moment nicht ein. Mal sehen, ob sonst noch was kommt.
Manfred

[Manf]

So, jetzt habe ich noch mal darüber nachgedacht. Die schmale Leitung ist über einen Widerstand angekoppelt und über einen Konensator weitergeführt. Es wird damit ein relativ niederfrequentes AC Signal ausgekoppelt.

Wenn dann noch die beiden Stichleitungen Antennen sind, dann kann es ein Oszillator sein, der eine relativ offene Kopplung zwischen Ausgang und Eingang hat.

Mit zwei Kopplungen und deren Schwebung kann man so ein Dopplerradar aufbauen. Die Arbeitsfrequenz liegt mit der Kopplung unter 3,3GHz, also wohl bei 2,5GHz.
Manfred

[martin]

Also will ich mal ein wenig Hilfestellung geben.

Wie Manfred richtig erkannt hat, ist es ein Verstärker, die Arbeitsfrequenz beträgt 2,4GHz. Abweichungen in den Leiterbahnlängen kommen wohl daher, daß wir die Schaltung vor der Herstellung mit einer Software (Agilent ADS) optimiert haben.

Man kann es aber durchaus nachvollziehen, wobei hier noch mehrere Parameter eingehen. Die dünne Leitung ist übrigens Lambda/4 lang. Das ist auf den ersten Blick mit der Leitungslänge nicht nachvollziehbar. Das liegt daran, das Epsilon_r nicht für die Berechnung verwendet werden darf, da einige Feldlinien in diesem Aufbau ja auch durch die Luft gehen. Daher verwendet man das sogenannte Espilon_effektiv, das diesen Effekt berücksichtigt und bei etwa 6,2 liegt. Damit ergibt sich für Lambda/4 eine Länge von 12,5mm, was meine Messung hier auch bestätigt.

Mich würde nun noch interssieren, für was die beiden Stichleitungen sowie das Konstrukt mit R+Leitung+C gut sind.

Grüsse, Martin

[Manf]

Ich bleibe nochmal dran.
Stichleitungen dienen meistens zur Anpassung der Systemimpedanzen an die reellen Leitungsimpedanzen. Die Berechnungen werden/wurden klassischerweise im Shmith Diagramm durchgeführt. http://www.ihe.uni-karlsruhe.de/lehre/ghft/GHF_5_bis_6_neu_V2.pdf

In dem Konstrukt, wenn der Kondensator gegen Masse geschaltet ist, dann hat man am anderen Ende der Leitung einen Leerlauf. Für den Fall wäre der Widerstand auch nicht wirksam. In der Frequenz-Umgebung schon, vielleicht dient er zur Erhöhung der Bandbreite, (Verringerung der Phasensteilheit).

(Wenn nicht, könnte man versuchen zu klären, ob der Kondensator an Masse liegt, oder ob über ihn ein Signal ein- oder ausgekoppelt wird. )
Manfred

[martin]

Also, dann will ich das ganze mal auflösen.

Manfred, du bist wieder mal seehr nah dran.

Die Stichleitungen sind in der Tat da, um die Ein- und Ausgangsimpedanzen an 50 Ohm anzupassen. Die Anpassung besteht jeweils aus einer Parallel- und einer Serienstichleitung.

Das Konstrukt mit dem Widerstand, der Leitung und dem Kondensator dient dazu, den Verstärker im gewünschten Frequenzbereich stabil zu machen. Das ganze geht leider zu Lasten der Verstärkung. Aber besser ein stabiler Verstärker mit wenig Gain als andersrum :-)

Wir haben mit dieser Schaltung ein Gain von 9,4 dB erreicht. Die Ausgangsanpassung war leider nicht wie gewünscht, was wohl an Falschen Simulationsdaten lag.

Danke fürs mitmachen,

Martin