Análisis de cascada de RF: Friis, IIP3 y Monte Carlo

Por qué los valores nominales no son suficientes

Abra cualquier hoja de datos de interfaz de RF y verá una única cifra de ruido y ganancia, medidas a 25 °C, alimentación nominal, frecuencia central. Las piezas de producción llegan como distribuciones. El LNA de 1,5 dB es de 1,5 dB en promedio.

Supongamos que el presupuesto de sensibilidad del receptor permite una NF en cascada de 2,5 dB. Que el diseño lo cumpla depende de la cascada nominal y de cómo se acumulen las tolerancias de las etapas. El RF Cascade Budget Analyzer calcula el NF, la ganancia, el IIP3 y el P1dB en cascada con las fórmulas estándar y, a continuación, calcula el rendimiento de Montecarlo sobre las tolerancias del escenario e informa del rendimiento según sus especificaciones.

Configuración de una cadena de recepción de 5 etapas

Una interfaz superheterodina de 2,4 GHz: LNA → filtro de selección de banda → mezclador → amplificador IF → filtro IF. La lista de escenarios es JSON:

[
  {"name": "LNA",          "type": "amp",    "gain_db": 15.0, "nf_db": 1.5, "iip3_dbm": -5.0, "p1db_dbm": -15.0},
  {"name": "BPF",          "type": "filter", "gain_db": -1.5, "nf_db": 1.5},
  {"name": "Mixer",        "type": "mixer",  "gain_db": -6.0, "nf_db": 7.5, "iip3_dbm": 12.0, "p1db_dbm": -2.0},
  {"name": "IF Amplifier", "type": "amp",    "gain_db": 20.0, "nf_db": 5.0, "iip3_dbm": 20.0, "p1db_dbm": 10.0},
  {"name": "IF Filter",    "type": "filter", "gain_db": -2.0, "nf_db": 2.0}
]

Para cada etapa, los valores dados como iip3_dbm y p1db_dbm se refieren a la entrada. Los filtros, atenuadores e interruptores se consideran lineales (IIP3 = +99 dBm), a menos que se les asigne un IIP3 de al menos 50 dBm, y su valor de ruido debe ser igual a su pérdida de inserción.

Las especificaciones de este ejemplo: NF ≤ 2,5 dB, ganancia ≥ 24 dB, entrada IIP3 ≥ −12 dBm, en un ancho de banda de ruido de 1 MHz.

Resultados nominales en cascada

La cadena pierde su especificación de NF en 0,55 dB antes de aplicar cualquier tolerancia.

¿De dónde viene el ruido

La tabla por etapas muestra la formación de la cascada:

El amplificador IF añade casi un decibelio completo. La pérdida de conversión de 6 dB del mezclador deja solo 7,5 dB de ganancia por delante del amplificador IF, por lo que su cifra de ruido de 5 dB apenas se suprime. El desglose de las contribuciones de la herramienta coincide: el LNA representa el 70% del factor de ruido en cascada, el amplificador IF el 19% y el mezclador el 10%

La linealidad es la historia opuesta. El mezclador, por detrás de los 13,5 dB de ganancia, es la fase límite: el IIP3 de entrada apenas se mueve desde los -5 dBm del LNA hasta el mezclador, y luego se estabiliza en −6,66 dBm.

P1dB desde los escenarios, no desde el IIP3

Un método abreviado común toma P1dB como IIP3 − 10 dB. Para esta cadena, da como resultado −16,7 dBm. La herramienta hace caer en cascada el P1dB de cada fase con la misma regla de reciprocidad que IIP3 y obtiene −18,3 dBm: el P1dB de la mezcladora está 14 dB por debajo de su IIP3, no 10. La salida P1dB es la P1dB de entrada más la ganancia de cadena, menos el 1 dB de compresión que la define: −18,3 + 25,5 − 1 = +6,2 dBm.

Montecarlo: del rendimiento nominal al rendimiento de producción

El Montecarlo perturba todas las etapas a la vez (ganancia (σ=0,5 dB), ruido de las fases activas (σ=0,3 dB) e IIP3 (σ=2 dB) — y vuelve a ejecutar en cascada todas las pruebas: 200 000 en una cuenta de pago y 50 000 en la versión gratuita.

El rendimiento global (las tres especificaciones a la vez) es del 3,5%. Casi todas las placas fallan (cifra de ruido).

Mejorando el rendimiento

Tres cambios, cada uno de los cuales se ejecuta en la herramienta:

Un amplificador IF más silencioso por sí solo cumple exactamente con las especificaciones, por lo que la mitad de las placas fallan. Una mayor ganancia de LNA corrige la cifra de ruido, pero cuesta 3,7 dB de IIP3: el rendimiento del IIP3 cae al 82% y el rendimiento global se detiene en el 77%. Esa es la contrapartida fundamental en cascada, en una fila. La solución equilibrada mejora las dos fases ruidosas y deja en paz la linealidad: un 84% en general, y las pérdidas restantes provienen de la especificación de ganancia.

El SFDR y la restricción de rango dinámico

El IIP3 en cascada y el nivel de ruido mínimo establecen un rango dinámico libre de espurios:

con $P_{floor} = -174 + 10\log_{10}(B) + NF$ = −110,95 dBm para 1 MHz y 3,05 dB. Dos interferentes a -45 dBm cada uno producen productos de tercer orden a

referidos a la entrada: por debajo del nivel de ruido, por lo que no desensibilizan al receptor. Con −30 dBm cada uno, alcanzarían los −76,7 dBm, 34 dB por encima de ese valor.

Actualizado 2026-09-19. El analizador ahora calcula en cascada el P1dB a partir del P1dB de cada etapa, en lugar de suponer IIP3 − 10 dB, y la lista de etapas anterior utiliza su formato de entrada real. Las cifras y los rendimientos en cascada del ejemplo anterior no coincidían con los de la herramienta; estas sí. Analizador presupuestario RF Cascade