RF レシーバ・チェーンの設計:雑音指数、IIP3、およびモンテカルロ収率解析

基本的なカスケードトレードオフ

RF レシーバーの設計者なら誰でも、フリースの公式を知っています。つまり、カスケードノイズ指数 (NF) は第 1 段が支配的なので、最も優れた (NF が低い) アンプを最初に配置し、そのゲインをできるだけ高くする必要があります。この公式は、そのシンプルさの中にもエレガントです。

数式ではすぐには明らかにならないのは、直線性によって生み出される緊張感です。初期段階でゲインが高いと、直線性が制限されるコンポーネントに到達する前に信号が増幅されます。IIP3のカスケード式（1/IIP3_Total = σ G_Cumul/IIP3_i）は逆の依存関係を示しています。つまり、各ステージのIIP3の寄与は、その前のゲインによって増幅されます。20 dB の LNA を追加すると、突然、ミキサーの IIP3 が入力信号電力の 100 倍に対して動作するようになります。

本稿では、RFカスケード・アナライザを使用したKuバンド・レシーバーの設計について説明し、このトレードオフを乗り切る方法と、名目上の設計が製造歩留まり要件を満たさない理由を示します。

リファレンス・チェーン

レシーバーチェーンは、VSATアプリケーション用の6ステージKuバンドレシーバーフロントエンドです。

この JSON を NF スペック = 6 dB、ゲインスペック = 28 dB、IIP3 スペック = -8 dBm としてツールに貼り付けます。

カスケードテーブルを読み込む

「分析を実行」をクリックすると、カスケードテーブルには各ステージの累積指標が表示されます。

2.5 dB のシステム NF は素晴らしく見え、6 dB の仕様を十分に満たしています。しかし、IIP3 は LNA 入力での -5 dBm から、システム入力での −8.0 dBm に低下します。入力基準の IIP3 は −8 dBm の仕様をかろうじて満たしています。

NF 感度解析機能

感度棒グラフを見ると、LNA がシステム NF の 89%、BPF が 5%、その他はすべて 5% 未満であることが分かります。これはFriisの動作です。ミキサーがミキサーの8dBのNF寄与を抑制してシステムへの影響を0.1dB未満に抑える前のゲインは13.5dBです。

つまり、システムの NF を 2.5 dB 未満に下げる必要がある場合は、LNA を改善する必要があります。それ以外は問題ありません。逆に、コスト面でのプレッシャーにより劣悪なミキサー (例えば、12 dB NF) を使用する必要が生じたとしても、その影響はごくわずかです。

IIP3はなぜIFアンプが主流なのか

Friis IIP3のカスケード・テーブル (ツールのシステム概要より) には、その影響が示されています。 -LNA: 合計の1/IIP3_の 72% を占めます (出力から見たIIP3は15dBm、入力換算では−5dBm) -ミキサー:18% を占めます (IIP3 は 12 dBm ですが、フロントのゲインは 6.5 dB です) -アンプの場合:9% (IIP3 は 10 dBm、フロントのゲインは 6.5 dB)

LNA が優勢なのは、その IIP3 (−5 dBm) が入力基準であり、先にゲインがないためです。IFアンプの前面には6.5dBのゲインがあります。つまり、IIP3の式ではその寄与が4.5倍になるということですが、独自のIIP3の方がはるかに高い（+10dBm）ため、正味の影響は中程度です。

システムIIP3を改善するための最もレバレッジの高い解決策は、LNAのIIP3を改善することです。LNA IIP3 が（−5 から -2 dBm に）3 dB 向上すると、システム IIP3 が約 2.5 dB 向上し、LNA が優勢であることが確認されました。

モンテカルロサプライズ

名目指標はすべて合格です。しかし、モンテカルロ法による結果（ゲインが±0.5 dB σ、NF ±0.3 dB σ、IIP3 ±2 dB σ の場合の試行 5 万回）では次のことがわかります。

-NF収率 (≤6 dB): 99.8% — 簡単に合格します -ゲイン利回り（28dB以上）：94.2% — 合格だが予想より厳しい -IIP3の利回り（−8dBm以上）：52.3% — ひどく失敗している -全体の利回り:51.8%

製造されたユニットのうち、3つの仕様すべてを同時に満たしているのは半分だけです。問題は IIP3 の許容誤差です。各ステージの IIP3 が ±2 dB σ、境界付近の LNA が公称値−5 dBm の場合、システム IIP3 の分布は −11 ～ -5 dBm の範囲になります。−8 dBm の仕様は中央値付近にあり、ちょうど半分が不合格です。

修正方法

次の 2 つのオプションがすぐに表示されます。

オプション 1: LNA IIP3 仕様を厳しくする LNA の IIP3 を最小値 −3 dBm にする必要があります (通常、±2 dBm は p5 で −3 dBm)。これにより、システムの IIP3 分布が最大 2 dB 上昇し、IIP3 の収率が約 88% に上昇します。

オプション2: システムの IIP3 仕様を緩和してください。 −8 dBm が控えめな推定値であれば、実際に許容される最小値は -10 dBm です。-10 dBm の仕様では、IIP3 の利回りは 82% に上昇し、全体の収率は 80% に跳ね上がります。 オプション 3: 第 1 段階を再設計する LNA+BPF を −1 dBm IIP3 のコンポーネントと交換してください (一部の統合フロントエンドではこれが提供されています)。システム IIP3 は公称値で約 −3 dBm まで向上し、収率は 95% 以上に上昇します。

モンテカルロ法では、名目解析では不可能な方法で適切な介入が明らかになります。

この分析から導き出された主なルール

1.公称値ではなく、p5 MCカーブを基準にして部品仕様を書いてください。 公称IIP3の部品は分布の中央値にあり、製造段階では半分ほど劣ります。 2.IIP3の利回りには、NFの利回りよりも多くのマージンが必要です。 IIP3の許容誤差 (±2dBσ) はNFの許容誤差 (±0.3 dBσ) よりも大きく、IIP3の仕様は通常、名目上のマージンと比較してより厳しくなっています。 3.感度解析により、BOM予算をどこに費やすべきかがわかります。 LNAからの 89% のNF寄与は、より優れたミキサーが何も購入しないことを意味します。LNAからの 72% のIIP3の寄与は、よりリニアなLNAがシステムの直線性を直接改善することを意味します。