Ottimizzazione dei Valori dei Componenti Circuitali delle Matching Network

Una volta individuata l’architettura delle matching network, si deve passare all’ottimizzazione dei loro parametri.

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Ciò comporta la ricerca dei valori più opportuni da attribuire ai componenti circuitali, in modo che le specifiche di progetto risultino soddisfatte.

A questo scopo è stato utilizzato il Simulatore Lineare di Microwave Office (si veda il Capitolo 5).

Per quanto riguarda gli elementi circuitali da considerare nell’ottimizzazione, si sono prese in considerazione tutte le induttanze e le capacità presenti sulle vie a RF.

Per quanto riguarda le resistenze, si è evitato di modificare il valore della resistenza R5, in quanto facente parte della rete di polarizzazione. Un cambiamento del suo valore potrebbe, infatti, condurre ad un cambiamento del punto di lavoro del circuito (3V e 60mA). Le resistenze R1 e R4, facendo, invece, parte delle reti di adattamento, sono state inserite nell’ottimizzazione.

Gli elementi circuitali i cui valori sono stati resi ottimizzabili sono, quindi, le capacità C1, C2, C3, C4, le induttanze L1, L2, L3 e le resistenze R1 e R4.

Come valori iniziali per l’ottimizzazione, si attribuiscono a questi elementi i valori che essi avevano nel progetto dell’LNA, da cui si è partiti (vedi Paragrafo 3.5.3).

È importante, prima di procedere alla ottimizzazione del circuito, specificare i componenti commerciali che si utilizzeranno nel progetto. Le proprietà di questi ultimi, infatti, hanno un grande peso nei confronti delle prestazioni dell’amplificatore.

È molto importante, al fine di mantenere una noise figure bassa, che gli elementi che vengono utilizzati per le reti di ingresso e di uscita, ma soprattutto di ingresso, siano caratterizzati da un fattore di merito, Q, elevato. Ciò è valido sia per quanto riguarda le induttanze che per quanto riguarda le capacità. Questo è dovuto al fatto che le perdite introdotte dalle reti di adattamento sono correlate con il parametro Q dei componenti utilizzati.

Per quanto riguarda le capacità, nel progetto di partenza sono state utilizzate quelle messe in commercio dalla ATC (American Technical Ceramics). In particolare vengono utilizzati elementi della serie 100B. Le capacità che fanno parte di questa serie hanno dei valori compresi tra 0.1pF e 1000pF e sono caratterizzate da un fattore di merito, Q, molto levato, come mostrato in Fig.6.3.

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Per quanto riguarda le induttanze, invece, bisogna fare una distinzione tra quelle che si trovano nella Input Matching Network e quelle che si trovano nella Output Matching Network.

È infatti necessario che le induttanze che si trovano nella rete di adattamento di ingresso, abbiano un fattore di merito, Q, il più alto possibile. Quelle che si trovano sull’uscita hanno, invece, specifiche meno stringenti.

Figura 6.3. ATC serie 100B

Per il circuito di ingresso si utilizzano quindi le induttanze della Coilcraft, appartenenti alle serie Mini Spring Air Core Inductors, Midi Spring Air Core Inductors e Maxi Spring Air Core Inductors. Queste induttanze, mostrate in Fig.6.4, 6.5 e 6.6, avendo l’avvolgimento in aria, hanno un Q molto elevato, dal momento che non sono presenti perdite dovute alla ceramica o alla ferrite delle tradizionali induttanze. Esse hanno valori compresi tra 2.5nH e 538nH e dimensione massima di 10.55mm×6mm.

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Figura 6.4. Maxi Spring

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Figura 6.6. Mini Spring

Per quanto riguarda invece le induttanze sulla rete di uscita, si sono scelte ancora le induttanze della Coilcraft, appartenenti però questa volta alla serie 0805CS, riportata in Fig.6.7. Tali induttanze hanno valori compresi tra 2.8nH e 820nH e dimensioni di 2.29mm×1.73mm. Come si vede il loro fattore di merito è più modesto di quelle scelte per la rete di ingresso.

A questo punto, si può predisporre il Software per l’ottimizzazione. Prima di tutto si rendono ottimizzabili le induttanze, le capacità e le resistenze individuate precedentemente. Bisogna poi fornire ai parametri un range di variabilità. Questo è possibile prendendo come riferimento i valori massimi e minimi delle varie serie, come riassunto in Tabella 1.

Tabella 1

ELEMENTO VALORE MINIMO Valore massimo

INDUTTANZE DI INGRESSO 2.5nH 538nH

INDUTTANZE DI USCITA 2.8nH 390nH

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Figura 6.7. Induttanze della serie 0805CS

A questo punto si aggiungono gli obbiettivi di ottimizzazione nella cella “Optimizer Goal” del software e si procede all’ottimizzazione vera e propria, prendendo come riferimento i valori del guadagno e della noise figure.

Per arrivare ad avere dei valori il più conformi possibile agli obbiettivi del progetto, si è reso necessario un avvicinamento a “step”.

Inizialmente si è settato il valore del guadagno a 16dB e quello della noise figure a 0.35dB. Dato che il circuito ha risposto positivamente a questi valori, si è aumentato gradualmente il guadagno e diminuita la noise figure, fino ad arrivare a un guadagno obbiettivo di 20dB, su tutta la banda, e una noise figure di 0.20dB.

A questo punto, si è visto che un aumento ulteriore del guadagno o una diminuzione della noise figure non trovavano più risposta nell’ottimizzazione del circuito. Il software cioè non era più in

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grado di trovare valori dei parametri con cui arrivare a soddisfare le specifiche di ottimizzazione settate.

Come valori dei componenti circuitali sono quindi stati presi quelli trovati in corrispondenza dell’ultima ottimizzazione riuscita.

A questo punto, però, nello schematico si hanno degli elementi nei quali i valori di induttanza e di capacità sono quelli risultati dall’ottimizzazione, mentre tutti gli altri parametri sono quelli caratteristici dei componenti iniziali. Si devono quindi sostituire tali elementi con i componenti commerciali aventi effettivamente il valore di induttanza e di capacità risultato dall’ottimizzazione.

Si ha così: • L1=538nH • L2=22nH • L3=18nH • C1=5.6pF • C2=220pF • C3=220pF • C4=30pF • R1=56Ω • R4=330Ω