LNA入力の広帯域インピーダンスマッチング:PiネットワークがLネットワークに勝るとき

問題:半オクターブにわたって 4:1 のインピーダンス比

データシートに 1 GHz での最適なソースインピーダンスが 200 Ω と記載されている低ノイズアンプがあります。システムのインピーダンスは 50 Ω です。この比率は 4:1 で、必要な帯域幅を見てみるまでは管理しやすいように思えます。

ターゲット帯域は 800 ～ 1200 MHz で、1 GHz を中心とした 400 MHz のスパンです。これは 40% の端数帯域幅です。構築するマッチングネットワークは、その全範囲でS11を-15dB未満に抑える必要があります。そうしないと、隣接帯域干渉が最も起こりやすい帯域エッジで感度が低下します。

このシナリオでは、単純な L ネットワークが機能しなくなります。

ここで L ネットワークが失敗する理由

Lネットワークは、たった2つのリアクティブ要素で2つの抵抗をマッチングします。エレガントで低損失ですが、Q がインピーダンス変換比に固定された共振構造です。

「MATHBLOCK_0」

マッチングネットワークの 3 dB 帯域幅はおよそ「MATHINLINE_1」です。Q = 1.73 の 1 GHz では、約 580 MHz の 3 dB 帯域幅になります。これは問題ないようです。しかし、S11 < −15 dB (VSWR < 1.43) では、共振ピークにはるかに近い値に保つ必要があり、実際には、厳しいリターンロス仕様で使用可能な帯域幅は「MATHINLINE_2」、つまりここでは約 290 MHz に近いです。

Lネットワークをインピーダンス・マッチング・ツールで実行すると、S11が870MHz付近で-15dBを超え、また1130MHz付近で再び-15dBを超えることがわかります。セルラー帯域の 800 ～ 900 MHz と 1100 ～ 1200 MHz の部分が露出しています。

Pi ネットワークへの切り替え

Pi ネットワークは 3 番目の要素を導入します。これにより、帯域幅をより自由に形作ることができます。シンセサイザーは、それぞれがより低い中間インピーダンスで動作する 2 つの連続した L セクションに Q を分配する成分値を求めます。どちらかの終端から得られる実効Qが小さくなり、通過帯域が広くなります。

ブロードバンド・インピーダンス・マッチング・シンセサイザーで使用される正確な入力は次のとおりです。

中心周波数が 1000 MHz の合成された Pi ネットワークでは、次のようになります。 これらの値では、シミュレートされたS11は800～1200MHzにわたって−16.5dB未満に保たれ、-15dBの目標値を快適に満たしています。L ネットワークと比較した場合の帯域幅の改善は実際のもので、ツールが生成する周波数応答プロットからすぐにわかります。

Pi が実際に何をしているのかを理解する

Pi トポロジは、直列インダクタを共有する 2 つの L セクションを連続して配置したものです。ソース側のシャント・キャップと直列Lが1つのLセクションを形成し、50Ωを仮想的な中間インピーダンスまで変換します。直列Lと負荷側のシャントキャップが2つ目のLセクションを形成し、中間インピーダンスを最大200Ωまで変換します。

このツールでは、ターゲットの中間インピーダンス (仮想抵抗または Q ターゲットと呼ばれることもあります) を設定できます。中間インピーダンスが低いと各セクションのQが低くなり、部品の感度がわずかに高くなりますが、帯域幅は広がります。まずは、変換を均等に分割する「MATHINLINE_3」Ω を目指すのが良いでしょう。

さらに詳しく:3 セクションのはしご

さらに広い帯域幅が必要な場合（たとえば、700～1400 MHzでS11 < -20 dB 未満、セルラー+ Wi-Fi スパンをフル接続する場合）には、3 セクションラダーネットワークが適しています。これにより、さらに 2 つの要素（合計 5 つ：シャントシリーズ-シャント-シリーズ-シャント-シャント-シャント）が追加され、Q が 3 つの連続した L セクションに分散されます。

ツールのトポロジーセレクターを3セクションラダーに切り替え、他の入力はすべて同じままにします。シンセサイザは 5 つのコンポーネント値を返し、周波数応答プロットには 760 MHz から 1260 MHz までの範囲で S11 が −22 dB 未満であることが示されています。帯域幅は大幅に向上していますが、注意点があります。部品が 5 つあるということは、5 つの寄生因子、5 つの許容感度、ベンチでのチューニングの反復回数が 1 回増えるということです。

800～1200 MHz の特定のセルラー帯域では、通常 Pi ネットワークが適切な選択です。必要なコンポーネントは 3 つだけで、BOM コストとボード面積を適度に抑え、十分な帯域幅マージンを実現できます。

ベンチ用実用上の注意事項

シミュレータでは完全には把握できないことがいくつかあります。

LNAの入力インピーダンスは複雑で、純粋な抵抗性ではありません。 ここでの200Ωは概算値です。実際の LNA 入力には、グラウンドに対するシャント容量 (多くの場合 1 GHz で 0.5～1 pF) があり、これによって共振がシフトします。LNA データシートから S パラメータファイルを取得し、「MATHINLINE_4」の実際の実数部と虚数部をターゲット周波数で入力し、再合成します。 成分の寄生成分によって中心周波数がシフトします。 10 nH の 0402 インダクタの自己共振周波数は約 2～3 GHz です。1 GHz でも誘導性があるように見えますが、実効インダクタンスは公称値よりわずかに高くなります。ベンダーのSパラメータモデルがある場合はそれを使ってシミュレートするか、5～ 10% の周波数シフトを計画し、それに応じて帯域幅ターゲットを調整してください。 基板レイアウトが重要 シャントコンデンサは、ビアをできるだけ短くしてグランドに直接接続する必要があります。どのビアインダクタンスでも、純粋なシャント素子であるべきものに直列インピーダンスが加算され、マッチングがずれます。

[インピーダンスマッチングツール] (/tools/インピーダンスマッチング) を使用して特定のソースインピーダンスと負荷インピーダンスの部品値を合成し、スミスチャートでマッチング品質をクロスチェックし、部品を注文する前にバンドエッジでのVSWRを確認してください。