Diseño de la cadena de receptores de RF: cifra de ruido, IIP3 y análisis de rendimiento de Montecarlo

La compensación fundamental en cascada

Todos los diseñadores de receptores de RF conocen la fórmula de Friis: la primera etapa domina la cifra de ruido en cascada (NF), por lo que hay que poner primero el mejor amplificador (el NF más bajo) y lograr que su ganancia sea lo más alta posible. La fórmula es elegante por su sencillez.

Lo que la fórmula no revela de inmediato es la tensión que crea con la linealidad. La alta ganancia en las primeras etapas amplifica las señales antes de que lleguen a los componentes de linealidad limitada. La fórmula en cascada del IIP3 (1/IIP3_total = □ G_Cumul/IIP3_I) muestra la dependencia opuesta: la contribución al IIP3 de cada etapa se amplifica con la ganancia que la precede. Añada un LNA de 20 dB y, de repente, el IIP3 de su mezclador tendrá que funcionar con una potencia de señal de entrada 100 veces mayor.

En este artículo se describe el diseño de un receptor en banda Ku utilizando el RF Cascade Analyzer, y se muestra cómo afrontar este equilibrio y por qué el diseño nominal no cumple con los requisitos de rendimiento de fabricación.

La cadena de referencia

La cadena de receptores es una interfaz de receptor en banda Ku de 6 etapas para una aplicación VSAT:

Pegue este JSON en la herramienta con una especificación NF = 6 dB, una especificación de ganancia = 28 dB, una especificación de IIP3 = −8 dBm.

Leyendo la tabla en cascada

Tras hacer clic en Ejecutar análisis, la tabla en cascada muestra las métricas acumuladas en cada etapa:

El sistema NF de 2,5 dB tiene un aspecto excelente, muy por debajo de las especificaciones de 6 dB. Sin embargo, el IIP3 pasa de -5 dBm en la entrada del LNA a −8,0 dBm en la entrada del sistema. El IIP3 basado en la entrada apenas cumple con la especificación de −8 dBm.

Análisis de sensibilidad NF

El gráfico de barras de sensibilidad revela que el LNA aporta el 89% de la NF del sistema, el BPF el 5% y todo lo demás en menos del 5%. Esto es Friis en acción: 13,5 dB de ganancia antes de que la mezcladora suprima la contribución de NF de 8 dB de la mezcladora con un impacto en el sistema inferior a 0,1 dB.

La consecuencia: si necesita reducir la NF del sistema por debajo de los 2,5 dB, debe mejorar el LNA; nada más importa. Por el contrario, si la presión de los costes obliga a utilizar una mezcladora peor (por ejemplo, 12 dB de NF), el impacto es insignificante.

Por qué el IIP3 está dominado por el amplificador IF

La tabla en cascada del Friis IIP3 (extraída del resumen del sistema de la herramienta) muestra las contribuciones:

• LNA: aporta el 72% del 1/IIP3_total (15 dBm del IIP3 visto desde la salida, pero −5 dBm desde la entrada)
• Mezclador: aporta un 18% (12 dBm de IIP3, pero 6,5 dB de ganancia en la parte delantera)
• Amplificador IF: aporta un 9% (10 dBm IIP3, pero 6,5 dB de ganancia frontal)

El LNA domina porque su IIP3 (−5 dBm) se basa en la entrada, es decir, no tiene ninguna ganancia por delante. El amplificador IF tiene una ganancia frontal de 6,5 dB, lo que significa que la fórmula del IIP3 multiplica por 4,5 su contribución, pero su propio IIP3 es mucho mayor (+10 dBm), por lo que el efecto neto es moderado.

Para mejorar el sistema IIP3, la solución con mayor apalancamiento es mejorar el IIP3 del LNA. Una mejora de 3 dB con respecto al LNA IIP3 (de -5 a -2 dBm) mejora el IIP3 del sistema en unos 2,5 dB, lo que confirma el dominio del LNA.

La sorpresa de Montecarlo

Todas las métricas nominales son aprobadas. Sin embargo, el resultado de Montecarlo (50 000 ensayos con una ganancia de ±0,5 dB, NF ±0,3 dB σe IIP3 ±2 dB) muestra lo siguiente:

• Rendimiento de NF (≤6 dB): 99,8%, es fácil de superar
• Rendimiento de ganancia (≥28 dB): 94,2%, aprobado, pero más ajustado de lo esperado
• Rendimiento de IP3 (≥−8 dBm): 52,3%, fallo grave
• Rendimiento global: 51,8%

Solo la mitad de las unidades fabricadas cumplen las tres especificaciones simultáneamente. El problema es la tolerancia al IIP3: con ±2 dB π en el IIP3 de cada fase y el LNA cerca del límite a −5 dBm nominal, la distribución del IIP3 del sistema IIP3 oscila entre −11 y −5 dBm. La especificación de −8 dBm se sitúa cerca de la mediana: exactamente la mitad falla.

La solución

Inmediatamente aparecen dos opciones:

Opción 1: ajustar la especificación del LNA IIP3 Exija que el IIP3 del LNA sea de −3 dBm como mínimo (±2 dBm normalmente significa −3 dBm en p5). Esto aumenta la distribución del IIP3 del sistema unos 2 dB, lo que eleva el rendimiento del IIP3 a aproximadamente un 88%.

Opción 2: flexibilizar la especificación IIP3 del sistema. Si −8 dBm fuera una estimación conservadora, el mínimo real aceptable podría ser de −10 dBm. Con una especificación de -10 dBm, el rendimiento del IIP3 aumenta hasta el 82% y el rendimiento global, hasta el 80%. Opción 3: rediseñar la primera etapa. Sustituya el LNA + BPF por un componente que tenga un IIP3 de -1 dBm (algunas interfaces integradas lo ofrecen). El sistema IIP3 mejora hasta unos −3 dBm nominales y el rendimiento supera el 95%.

El Montecarlo hace que la intervención correcta sea obvia de una manera que el análisis nominal nunca puede lograr.

Reglas clave de este análisis

1. Escriba las especificaciones de los componentes en función de la curva p5 MC, no en la nominal. Un componente con su IIP3 nominal se encuentra en la mediana de su distribución; la mitad será peor en producción.
2. El rendimiento del IIP3 requiere más margen que el rendimiento del NF. Las tolerancias del IIP3 (±2 dB π) son mayores que las tolerancias del NF (±0,3 dB σs), y la especificación del IIP3 suele ser más estricta en relación con el margen nominal.
3. El análisis de sensibilidad indica en qué invertir el presupuesto de la lista de materiales. Una contribución del 89% al NF del LNA significa que un mezclador mejor no sirve para nada. La contribución del 72% al IIP3 del LNA significa que un LNA más lineal mejora directamente la linealidad del sistema.