LNA 입력의 광대역 임피던스 매칭: Pi 네트워크가 L-네트워크를 능가하는 경우

문제: 반 옥타브 전체의 4:1 임피던스 비율

데이터시트에 1GHz에서 200Ω의 최적 소스 임피던스가 나와 있는 저잡음 증폭기가 있습니다.시스템 임피던스는 50Ω입니다.이 비율은 4:1 로, 필요한 대역폭을 확인하기 전까지는 괜찮은 것 같습니다.

목표 대역은 800~1200MHz이며, 400MHz 대역폭은 1GHz를 중심으로 합니다.이는 40% 의 소수 대역폭입니다.어떤 매칭 네트워크를 구축하든 전체 범위에서 S11을 -15dB 미만으로 유지해야 합니다. 그렇지 않으면 바로 인접 대역 간섭이 가장 심하기 쉬운 대역 경계에서 감도를 잃게 됩니다.

이것이 단순한 L-네트워크를 망가뜨리는 시나리오입니다.

여기서 L-네트워크가 실패하는 이유

L-네트워크는 반응성 요소가 두 개뿐인 두 개의 저항을 일치시킵니다.우아하고 손실이 적지만 임피던스 변환 비율에 고정되는 Q가 있는 공진 구조입니다.

“MATHBLOCK_0"

매칭 네트워크의 3dB 대역폭은 대략 “MATHINLINE_1"입니다.1GHz에서 Q = 1.73이면 대략 580MHz의 3dB 대역폭입니다. 이는 괜찮은 소리입니다.하지만 S11 < −15dB (VSWR < 1.43) 에서는 공진 피크에 훨씬 더 가깝게 머물러야 하며, 실제로 엄격한 반사 손실 스펙에 사용할 수 있는 대역폭은 “MATHINLINE_2”, 즉 여기서는 약 290MHz에 가깝습니다.

임피던스 매칭 툴에서 L-네트워크를 실행하면 S11이 870MHz 주위에서 -15dB를 넘고 다시 약 1130MHz 부근에서 횡단하는 것을 볼 수 있습니다.셀룰러 대역의 800—900MHz 및 1100—1200MHz 부분이 노출됩니다.

파이 네트워크로 전환

Pi 네트워크에는 대역폭을 자유롭게 조정할 수 있는 세 번째 요소가 도입됩니다.신시사이저는 각각 더 낮은 중간 임피던스에서 작동하는 두 개의 연속 L 섹션에 Q를 분배하는 성분 값을 구합니다.양쪽 종단에서 볼 수 있는 유효 Q가 감소하고 통과대역이 넓어집니다.

광대역 임피던스 매칭 신시사이저에서 사용되는 정확한 입력은 다음과 같습니다.

중심 주파수가 1000MHz인 경우 합성된 Pi 네트워크는 다음을 생성합니다. 이 값을 사용하면 시뮬레이션된 S11이 800~1200MHz 전체에서 -16.5dB 미만으로 유지되므로 -15dB 대상 내에서 편안하게 유지됩니다.L-네트워크에서의 대역폭 향상은 실제적이며 도구가 생성하는 주파수 응답 플롯에서 즉시 확인할 수 있습니다.

Pi가 실제로 무엇을 하는지 이해하기

Pi 토폴로지는 직렬 인덕터를 공유하는 두 개의 L 섹션으로 구성되어 있습니다.소스 측 션트 캡과 시리즈 L은 50Ω을 최대 가상 중간 임피던스로 변환하는 하나의 L 섹션을 형성합니다.시리즈 L과 로드측 션트 캡은 중간 임피던스를 최대 200Ω까지 변환하는 두 번째 L 섹션을 형성합니다.

이 도구를 사용하여 대상 중간 임피던스 (가상 저항 또는 Q 타겟으로 표시되기도 함) 를 설정할 수 있습니다.중간 임피던스가 낮을수록 각 섹션의 Q가 낮아지므로 구성 요소 감도는 약간 높아지지만 대역폭은 넓어집니다.좋은 출발점은 변환을 균등하게 분할하는 “MATHINLINE_3" Ω을 목표로 하는 것입니다.

한 걸음 더 나아가다: 3-섹션 래더

더 많은 대역폭이 필요한 경우 (예: 전체 셀룰러+ Wi-Fi 범위에 대해 700~1400MHz에서 S11 < −20dB) 3섹션 래더 네트워크를 사용하는 것이 좋습니다.이렇게 하면 두 개의 요소 (총 5개: 션트 시리즈-션트 시리즈-션트 시리즈-션트 교대) 가 추가되어 Q가 연속으로 세 개의 L 섹션에 분산됩니다.

토폴로지 셀렉터를 툴의 3섹션 래더로 전환하여 다른 모든 입력은 동일하게 유지합니다.신시사이저는 성분 값 5개를 반환하고 주파수 응답 플롯에는 S11이 760MHz에서 1260MHz까지 -22dB 미만인 것으로 표시됩니다.대역폭이 크게 향상되었지만 한 가지 문제가 있습니다. 성분 5개는 기생 기여자 5개, 허용 오차 감도 5개, 벤치에서 튜닝 반복을 한 번 더 진행한다는 의미입니다.

특정 800~1200MHz 셀룰러 대역의 경우 일반적으로 Pi 네트워크가 적합합니다.세 가지 구성 요소만 필요하고 BOM 비용과 보드 면적을 합리적으로 유지하며 충분한 대역폭 마진을 제공합니다.

벤치를 위한 실용 노트

시뮬레이터가 완전히 캡처할 수 없는 몇 가지 사항:

LNA 입력 임피던스는 단순히 저항성이 있는 것이 아니라 복잡합니다. 여기서 200Ω은 근사치입니다.실제 LNA 입력에는 접지 션트 커패시턴스 (1GHz에서 0.5—1pF) 가 있어 공진을 변화시킵니다.LNA 데이터시트에서 S-파라미터 파일을 가져와 목표 주파수에서 “MATHINLINE_4"의 실제 실수부와 허수부를 입력하고 재합성하세요. 컴포넌트 기생은 중심 주파수를 이동시킵니다. 10nH의 0402 인덕터는 약 2~3GHz의 자체 공진 주파수를 갖습니다.1GHz에서도 여전히 유도성으로 보이지만 유효 인덕턴스는 공칭 값보다 약간 높습니다.가능한 경우 공급업체 S-파라미터 모델을 사용하여 시뮬레이션하거나, 5-10% 의 주파수 이동을 계획하고 이에 따라 대역폭 목표를 채우십시오. 보드 레이아웃이 중요합니다. 션트 커패시터는 가능한 가장 짧은 비아를 통해 접지에 직접 연결해야 합니다.모든 비아 인덕턴스는 순수 션트 소자에 직렬 임피던스를 추가하고 매치를 변화시킵니다.

[임피던스 매칭 도구] (/tools/임피던스 매칭) 를 사용하여 특정 소스 및 부하 임피던스에 대한 구성 요소 값을 합성한 다음 Smith 차트에서 일치 품질을 교차 확인하고 부품을 주문하기 전에 대역 에지에서 VSWR을 확인하십시오.