AMPLIFICADORES MMIC EN LA BANDA Ka DE BANDA ANCHA

ABSTRACT This paper describes the design and assembly of two low noise wideband monolithic Ka-Band  amplifiers. The designs are fully monolithic. Philips Microwave Limeil ED02AH process, which employs a 0.2  mm Pseudomorphic-High Electron Mobility Transistor (P-HEMT) was the technology chosen. One amplifier has four stages and the other has three stages. A first stage with inductive source feedback has been used to achieve a low noise performance with reasonable gain and return loss and parallel feedback has been used in the last stages to give an upward slope to the gain. The circuit has been measured in a home made test fixture with ridged waveguide (WR-28) own designed transitions to couple the signal from waveguide to microstrip. A gain greater than 12 dB with an average noise of 4.1 dB from 28 to 40 GHz and a minimum noise figure of 2.3 dB at 28.5 dB was measured for the three stages MMIC amplifier. A gain greater than 20 dB with an average noise of 2.3 dB from 28 GHz to 36 GHz and a minimum noise figure of 1.8 dB at 29.5 dB was measured for the four stages MMIC amplifier. 1.  INTRODUCCIÓN Los sistemas de comunicaciones que requieren grandes capacidades en la banda milimétrica están teniendo un gran desarrollo como por ejemplo los sistemas de banda ancha para la distribución de señales de video sin cable tales como LMDS (Local Multipoint Distribution System) que operan en la banda de 28 GHz. Para satisfacer esta demanda el diseño  circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC) es de gran interés ya que poseen ventajas en cuanto a miniaturización, gran repetitibidad,  bajo coste en grandes producciones y mayor fiabilidad debido al reducido número de interconexiones. 2.  DISEÑO Se ha realizado el diseño de dos amplificadores en la banda Ka, uno de ellos de tres etapas y el otro de cuatro. Los modelos de pequeña señal de los transistores utilizados para realizar el diseño están proporcionados por la fundición para cada polarización.  En ambos diseños los transistores son de tipo deplexion y tamaño 6x15mm. Se ha escogido la menor anchura de dedo permitida por la fundición para disminuir la resistencia de puerta y así minimizar el ruido. Por otro lado con este tamaño, a través de la realimentación inductiva en fuente, permite aproximar la impedancia óptima de ruido a la impedancia de adaptación conjugada. En la figura 1 se observa un esquema de la topología del amplificador de cuatro etapas. Para el amplificador de tres etapas se utilizó una topología similar al representado en la figura1. Figura  1.  Esquemático   del  Amplificador   MMIC  de  4 etapas La primera etapa en los dos diseños lleva realimentación inductiva en la fuente [1] con el fin de obtener bajo ruido con una ganancia y perdidas de conversión razonables. Las otras dos etapas en el caso del amplificador de tres etapas y las tres etapas finales en el amplificador de cuatro etapas llevan realimentación resistiva paralela [2,3] con el objetivo de obtener una ganancia constante en todo el rango de funcionamiento al compensar la caída natural en ganancia de un transistor con la frecuencia. Esta realimentación paralela tiene un impacto mínimo en la figura de ruido y asegura estabilidad incondicional a todo el  amplificador. La figura 2 muestra una fotografía de cada uno de los amplificadores monolíticos. Ambos circuitos tienen el mismo tamaño e igual a 3x1 mm Figura 2.  Fotografía de los amplificadores MMIC de 3 y 4 etapas Los  amplificadores han sido diseñados utilizando el simulador MDS (Agilent) y para las redes pasivas se ha empleado su herramienta de simulación electromagnética quasi-3D. 3.  MONTAJE Los circuitos han sido ensamblados y medidos en un útil de fabricación propia con accesos en guía de onda. Las transiciones para acoplar la señal de guía de onda a microstrip han sido diseñadas utilizando guías de onda Ridged [4]. La figura 3 muestra una vista del útil de medida que consiste en una caja con cuatro transiciones a guía en la que hay montados dos MMICs y todo ello esta sobre una placa con circuitos de protección de continua. Figura 3. Fotografía de la caja con transición Ridge  La figura 4 muestra un detalle del montaje del amplificador MMIC de 3 etapas conectado a lineas microstrip y a redes de polarización mediante hilos de oro. Las líneas microstrip estan hechas en substrato Al2O3 con un espesor de 0.254 mm y constante dieléctrica relativa de 9.9. Las redes de polarización consisten en resistencias, condensadores y bloqueos de RF. Figura 4. Fotografía del montaje de amplificador MMIC de 3 etapas con los circuitos de polarización 4.  MEDIDAS En los dos amplificadores MMIC diseñados se han realizado medidas de parámetros de Scattering y de figura de ruido. En la figura 5 se muestra la ganancia y el ruido medidos para el amplificador de tres etapas. Se obtenido una ganancia mayor de 12 dB desde 28 hasta 39.5 GHz y una figura de ruido media de 4.1 dB. La mínima figura de ruido es de 2.6 dB a 28.5 GHz con una ganancia de 13.5 dB y pérdidas de retorno de 10 dB y 18.8 dB en la entrada y salida respectivamente. Emmanuel Rodriguez C.I. 17208374 Asignatura: CRF Fuente: http://www.scribd.com/doc/7100791/038-Amplificadores-Mmic-en-La-Banda-Ka-de-Banda-Ancha