Low Noise Amplifier

목차

1. 서 론
1. 작품 배경
2. 작품의 기능 및 성능

2. 본 론 1. LNA 설계를 위한 기초 이론
1) stability *stability circle *K , and u factor
2) power gain *constant power gain circle
3) noise figure *constant noise figure circle 4)결론
2. 제작 과정 1) DC bias 2) input output matching 3) 제작 및 측정
3. 결 과
4. 결 론
5. 참고 문헌

본문내용

여 simulation 한 결과 input matching단은 shunt 2.4pF와 series 4.7nH로 output matching은 series 12nH와 shunt 10nH 의 소자값으로 구현할 수 있었다.
그림27. 2-stage matching circuit
matching단을 완성한 후 simulation을 시킨 결과는 다음과 같다.
그림28. simulation 결과1 (noise figure & gain)
그림29. simulation 결과2 {return loss(dB)}
그림30. simulation 결과3 {return loss(smith chart)}
3). 제작 및 측정
이후 실제 제작을 위한 기판 제작에 들어갔다. ideal line으로 연결되어 있던 소자를 strip line을 써서 연결하였다. line은 50옴 라인이 되도록 두께를 조절하였으며 가급적 그 길이를 짧게 하였다. 소자의 연결을 위한 gap은 1.4mm로 하였다.
그림31. LNA schematic
그림32. LNA layout
기판을 에칭 후 ground가 균일하게 잡히도록 도금을 실시하였다. 완성된 기판에 소자와 cable 등을 납땜하여 LNA를 완성하였다.
완성된 LNA를 측정한 결과는 다음과 같다.
그림33. 측정결과1 (안정도)
그림34. 측정결과2 (noise figure)
그림35. 측정결과3 (gain)
그림36. 측정결과4 (return loss)
제작한 LNA는 simulation결과나 spec보다 높은 3.3 dB 이상의 noise figure가 나왔다. 또한 1.575Ghz 에서 matching 이나 gain 등이 최적화된 특성을 가지도록 제작하였지만 실제 측정해본 결과 대략 1.4Ghz 에서 그 특성이 가장 좋았다.
실제 simulation 결과와 다른 결과가 나온 이유는 우선 simulation시는 ideal line을 썼지만 실제 제작 시에는 strip line을 썼기 때문인 것 같다. strip line의 삽입으로 인해 matching point가 틀어지게 되었을 것이다. 또 한 multimeter로 측정해 본 결과 실제 의도했던 대로 bias가 되지 않고 있었다. 특히 값이 너무 작았다. 이러한 이유도 matching point를 틀어지게 했을 것이며 또한 충분한 gain이 나오지 않은 이유가 됐을 것이다. 땜질과 cable 또한 gain과 noise에 영향을 미쳤을 것이다.
3. 결 과
실제 측정결과가 여러모로 spec에 미치지 못하여 tuning을 실시하기로 하였다. tuning을 하다 보니 input matching단의 tuning은 에 별 영향이 없었지만 output matching 단의 tuning은 에 큰 영향을 주었다.
따라서 output matching단의 tuning을 통해서 만족할 만한 값을 확보한 다음 input matching단을 tuning해가며 , gain , noise figure등을 맞춰 나갔다.
simulation을 통해 찾아낸 matching단의 소자들과 비슷한 값을 지닌 소자들을 조합하여 측정해 보며 그 경향을 파악해 가는 방식으로 tuning을 하였다.
tuning 결과 input matching단은 shunt 1.5pF와 series 4.7nH로 output matching단은 series 12nH와 shunt 10nH의 소자로 구현할 수 있었다.
그림37. 최종결과 회로도
최종 제작물을 측정한 결과는 다음과 같다.
그림38. 최종결과1 (안정도)
그림39. 최종결과2 (noise figure)
그림40. 최종결과3 (S-parameter)
그림41. 최종결과4 (gain)
결과
그림42. 최종결과5 {return loss(dB)}
그림43. 최종결과6 {return loss(smith chart)}
.
그림44. 완성된 LNA
4. 결 론
졸업작품으로 gps용 LNA를 구현하였다. 참고 서적이나 논문 또는 유용한 인터넷 사이트 자료들을 참고하여 LNA에 대한 지식을 쌓은 후 ADS를 이용한 simulation 을 통해 회로를 제작하였다. simulation을 통한 회로 설계를 마친 후 t=0.8mm FR4 기판에 에칭과 도금 후 transistor와 다른 소자들을 납땜하여 회로를 완성하였다.
완성된 회로를 측정한 결과 simulation과는 다른 결과를 얻어서 여러 소자들을 조합해가며 tuning 후 noise figure 2.2dB , gain 23.4dB , return loss -15dB , -19dB의 결과를 얻었다. 처음에 계획했던 spec인 noise figure 2dB 이하 gain 25dB 이상에는 조금 못 미치는 결과였다.
완성된 회로를 multimeter로 측정해 본 결과 여전히 dc bias가 의도했던 대로 되지 않았다. tuning을 통해 return loss는 잡을 수 있었지만 base-emitter간 전압이 충분치 않아 transistor가 의도했던 bias점에서 동작하지 않는 문제는 해결하지 못하였다. 이 때문에 noise figure나 gain이 생각보다 좋지 못한 것 같다.
6. 참고 문헌
[1] Adel S.Sedra and Kenneth C.Smith "Micro electronics Circuits"
[2] Guillermo Gonzalez "Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design"
[3] David M.Pozar "Microwave Engineering"
[4] Pieter L.D.Abrie and Artech House
"Design of RF and Microwave Amplifiers and Oscillators"
[5] Dale D.Henkes
"LNA Design Uses Series Feedback to Archieve Simultaneous Low Input VSWR and Low Noise"
[6] Alphonse Harter
"LNA Matching Techniques for Optimizing Noise Figures"
[7] 염경환 "전자회로 및 마이크로 회로설계 실습“

키워드

Low,   Noise,   Amplifier