Implementación de un Amplificador de bajo ruido ... - de URSI España

Implementación de un Amplificadorde bajo ruido y máxima ganancia @2.4 Ghz para protocolos ZigbeeFrancesc Campà, Josep Mª Jové y Pedro Vizarretafcampa@cimne.upc.edu, [jmjove,pvizarreta]@tsc.upc.eduDpto. de Teoría de la Señal i Comunicaciones, Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), c/. EsteveTerradas, 7, 08860 Castelldefels, EspañaAbstract – Zigbee has a limited range. To improve it there are,at least, two ways: the first one is putting more nodes but itmake costs of WSN rise; the second is to put a low noiseamplifier in the gateway to improve its sensibility. This article isabout the design and test of an amplifier of maximum gain withlow a noise figure. The amplifier has to achieve a bandwidth of20 MHz and to have an insertion loses over 10 dB with a noisefigure 1 dB above noise figure of transistor used in the design,ATF-36163. Polarization network has to be designed to work atVds=1.5V and Ids = 10mA. Adaptation network has to achievethe maximum gain with high insertion loses and low noisefigure. A decoupling network has to be designed to avoid RFsignal go to polarization network and the layout has not toinfluence in the simulation results. Verification process issuccessful reaching the initial requirements.I. INTRODUCCIÓNZigbee son protocolos de comunicación inalámbrica dealto nivel dentro del estándar 802.15.4 utilizados por lamayoría de redes de sensores sin hilos, Wireless SensorNetwork. Se caracteriza por su bajo consumo y fácilintegración. Una mínima electrónica es suficiente encomparación con Bluetooth o WI-FI. El rango de alcance delZigbee viene delimitado por la tecnología usada paraimplantar el estándar 802.15.4 aunque típicamente es de unos70 metros como máximo con línea de visión directa. Endeterminados casos puede resultar insuficiente para algunasaplicaciones ya que no siempre existe dicha línea directa devisión. Debido al bajo consumo de los dispositivos quetípicamente usan el protocolo Zigbee es inviable augmentar lapotencia de transmisión. Para poder aumentar el rango dealcance del sistema, normalmente se usan nodos intermediosa modo de repetidores de la señal, hecho que incrementa elcoste económico de la red. Se ha optado por una solución queintroduce un amplificador de bajo ruido en el nodo que hacede puerta de enlace de la red para así aumentar susensibilidad y mejorar el rango de alcance.Para ello se ha diseñado un amplificador que trabaje a lafrecuencia de 2.4GHz. con la máxima ganancia posible parauna figura de ruido que como máximo sea mayor en 1dB a lafigura de ruido típica del transistor. Se ha utilizado con unancho de banda de 20MHz, para el primer canal decomunicaciones del protocolo Zigbee. Al mismo tiempo sepretende garantizar unas pérdidas de inserción mayores de10dB. Se ha utilizado en el diseño y posteriorimplementación el transistor ATF-36163 de Agilent. Elprimer paso ha sido el diseño del circuito de polarización deltransistor para fijar el punto de trabajo seleccionado,V DS =1.5V y I DS =10mA; una vez polarizado se ha obtenido lafigura de ruido del transistor a la frecuencia de trabajo y se haprocedido a la adaptación de las redes de entrada y salidapara conseguir la máxima ganancia. El diseño ha sidorealizado para el sustrato RO4003 de Rogers con lassiguientes características, h= 1.5mm y t= 35µm. A su vez serequiere que el sistema sea estable.II. CIRCUITO DE POLARIZACIÓNPara efectuar el diseño del circuito de polarización elprimer paso ha sido fijar exactamente el punto de trabajo deltransistor. Para ello se ha utilizado el software AdvancedDesign System, ADS, de Agilent. Una vez introducido elmodelo en el ADS se obtienen las curvas de polarización. Ennuestro caso, V DS =1.5V, V CE en Fig. 1, y I DS =10mA, I C ,donde se aprecia que hay que forzar la V GS = -0.21V. Sedecide la realización de dos circuitos de polarizacióndistintos. Uno para el drenador del transistor, la partepositiva, y otro para la puerta, parte negativa.A. Parte positivaFig. 1. Curvas de polarización del transistor ATF-36163Para poder garantizar la corriente necesaria se usa untransistor bipolar como regulador de tensión y corriente.Concretamente un transistor PNP, el FZT751 de Zetex. Apartir del diseño del regulador se encuentra el sistema deecuaciones (1) que definen el diseño y que con losparámetros fijados anteriormente se obtienen los valores delas resistencias a utilizar. La resistencia R 4 , que no estadelimitada por el sistema de ecuaciones, garantiza laestabilidad del transistor y para ello su impedancia tiene que

ser pequeña por lo que se escoge un valor bajo de la misma.⎧ V EB= V E−V B⎪ RV B= V 2⎪ DD⎪R 1+ R 2⎪I DS= V −V DD DS⎨R⎪3⎪V EB= 0.62V⎪ V E= V DS=1.5V⎪⎩ V DD= 5VEn el diseño de la Fig. 2, R 1 =6800Ω, R 2 =1200Ω,R 3 =360Ω y R 4 =150Ω. Usando el software de simulaciónelectrónico Proteus se verifica el correcto funcionamientodel diseño y se comprueban los valores deseados.(1)frecuencia de trabajo, la figura de ruido máxima delamplificador será de 1.5 dB.Tabla 1. parámetros S del transistor ATF-36163 polarizado.Tabla 2. Figura de ruido del transistor ATF-36163.A su vez deseamos que el sistema sea estable por lo quese comprueba que el transistor esté en la región estable detrabajo. El sistema es estable ya que se encuentra por debajode la curva de estabilidad, Fig. 4.B. Parte negativaFig. 2. Circuito de polarización del Transistor FZT751Para la parte negativa se debe forzar que la tensión en lapuerta sea -0.21V sin importarnos demasiado la corriente quefluya. Se decide utilizar un divisor de tensión que a partir de-5V se obtengan -0.21V. Se diseña dicho divisor de tensión yse obtiene que para la resistencia en serie, se eligen 50kΩ ypara la resistencia en paralelo se escoge una de 2200Ω, talcomo se detalla en la Fig. 3.Fig. 3. Circuito de polarización parte negativaIII. DISEÑO DEL AMPLIFICADORPara el correcto diseño del sistema y para cumplir lasespecificaciones se requiere el cálculo de los parámetros Siniciales del sistema una vez polarizado y la figura de ruido,se obtienen los parámetros S, Tabla 1, y su figura de ruido,Tabla 2. Como se desea una figura de ruido máxima de 1dBsuperior a la figura de ruido del transistor y vemos que eltransistor polarizado tiene una figura de ruido de 0.5dB a laFig. 4. Curva de estabilidad y de ruido del sistema.Por último comentar que el diseño se ha realizado para unamplificador unilateral. El diseño unilateral se caracteriza portener una adaptación compleja conjugada en la red de entraday salida, por lo que se ha utilizado la técnica para el diseño deamplificadores de bajo ruido descrita en [1]. Se han llevadolos parámetros S del transistor al punto con coeficiente dereflexión óptimo, Sopt en la Tabla 2, que nos garantiza lafigura de ruido minima del transistor así como una gananciamáxima para esa figura de ruido.A. Diseño de las redes de adaptaciónPara poder garantizar un comportamiento similar en todoel ancho de banda, 20MHz, se han utilizado en el diseño,líneas de transmisión radiales. Utilizando las utilidades delADS Linecalc y Smith así como la opción tune para afinar eldiseño, se han diseñado dichos stubs.Se ha diseñado también la red de desacoplo para la señalde RF usando líneas de transmisión. Esta red permite evitarlas fugas de la señal de RF hacia el circuito de polarización.Para el desacoplo de la componente continua de la señal seusa un condensador de 100pF entre la línea de transmisión yel transistor. En la Fig. 8 se aprecia el diseño del amplificadorsin la red de polarización.Una vez realizada la simulación del diseño se obtienen losparámetros S de la Fig. 5. Para la ganancia (S 21 ) y para las

pérdidas de inserción (–S 11 ) obtenemos 24dB en el ancho debanda requerido y 10dB respectivamente. Es importantetambién observar la figura de ruido, en la que se puedeapreciar que para el ancho de banda de diseño, ésta es menorque 1.16dB con lo que podemos asegurar que lascondiciones iniciales de diseño se cumplen.Fig. 6. Layout del amplificadorB. Diseño del layoutFig. 5. parámetros S del amplificador.Se puede apreciar el layout del circuito en la Fig. 6. Unavez realizado el layout generado a partir de ADS, se procedea simular el comportamiento del mismo para garantizar queno ha afectado a los resultados de la simulación. Obtenemosla misma ganancia y pérdidas de inserción así como la mismafigura de ruido con lo que se procede a la fabricación ymontaje de la placa de circuito impreso para verificarexperimentalmente su correcto funcionamiento.IV. MEDIDAS EXPERIMENTALESUna vez soldados los componentes en la placa Fig. 7, semidieron los parámetros S del amplificador con el analizadorde redes vectorial E5071C de Agilent calibrado con el kit85033E de Agilent .Fig. 7. Detalle del amplificador en el laboratorioFig. 8. Amplificador sin red de polarizaciónFig. 8. Amplificador sin red de polarización

Se midieron primero las pérdidas de inserción resultandoser de 14.185dB en la frecuencia de trabajo y superiores a10dB en todo el ancho de banda, Fig. 9.Fig. 11. Medida de la figura de ruido del amplificador.Fig. 9. Parámetro S(1,1) del amplificador.Seguidamente se midió la ganancia, S 21 , obteniendo uncomportamiento plano en el ancho de banda de diseño y unaganancia de 16.176dB, Fig. 10.Fig. 10. Ganancia del amplificadorPara la medida de la figura de ruido se utilizó el medidorde ruido N8975A de Agilent previamente calibrado parausarlo a 2.4GHz y con un SPAN de 40 MHz. Para evitar elacoplamiento de posibles señales interferentes, se situó elamplificador en el interior de una caja aisladaelectromagnéticamente. Se obtuvo una figura de ruido menora 1.5dB en todo el ancho de banda, siendo 1.381dB el valormáximo y un comportamiento casi plano, Fig. 11.Dicho analizador de ruido también ofrece la posibilidadde medir la ganancia, observando que tiene uncomportamiento plano en todo el ancho de banda de trabajode nuestro amplificador, Fig. 11.V. CONCLUSIONESEl amplificador diseñado cumple con los requerimientosiniciales obteniendo una buena ganancia en toda la banda,alrededor de 16dB, con una figura de ruido inferior a 1.4dBsiendo el sistema estable.Los resultados obtenidos difieren de los datos de lasimulación debido a la precisión micrométrica del software,al soldado manual de los componentes así como a laprecisión a la hora de situar los conectores en la óptimaposición para ser soldados.El hecho que el comportamiento del amplificador sea casiplano en todo el ancho de banda nos garantiza el correctofuncionamiento en el primer canal del estándar zigbee con loque mejoraría el alcance del sistema, en teoría, ya queaumenta su sensibilidad.Quedan por hacer pruebas prácticas para confirmar lamejora de alcance así como la miniaturización delamplificador para poder introducirlo en el nodo que actúacomo puerta de enlace de la red.AGRADECIMIENTOSEste trabajo ha sido financiado por el Ministerio españolde Ciencia e Innovación (MICINN) y FEDER a través delproyecto TEC2008-066684-C03-03.REFERENCIAS[1] D. Pozar, “Microwave Amplifier Design” Microwave Engineering, 3rded., John Wiley & Sons, 2005.[2] G. González, Microwave transistor amplifiers: analysis and design.2nd ed. Prentice-Hall, 1997.[3] D. Pozar, Microwave and RF Design of Wireless Systems, 1st ed., JohnWiley & Sons, 2001[4] Agilent Technologies (2000).”Application Noto 1190-Low NoiseAmplifier using the Agilent ATF-36163 Low NoisePHEMT”. USA: Agilent Technologies. 1-8.[5] Bahl, I. and P. Bhartia, Microwave Solid State Circuit Design 2ndEdition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003.[6] P. Abrie, Design of Rf and Microwave Amplifiers and Oscillators, 1sted Arthec House 2009.