AMPLIFICADOR
DE
POTENCIA
EN
BANDA
Ka
1
Ignasi Co bella, Joaquim Fo uny (*)
(*) G up
A.M.R.
Depa amen
de
Teo ia del Senyal i Comunicacions
Escola Tecnica Supe io d'Enginye s de Telecomunicaci6
Uni e si a Poli ecnica
de
Ca alunya
ABSTRACT
The
design
o
a Solid S a e
Powe
Ampli ie ope a ing
a
28
GHz
is desc ibed.
The
ampli ie has wo s ages wi h wo iden ical powe ansis o s (Toshiba's JS8864-AS) which,
acco ding o he manu ac u e can delibe 22 dBm a 1 dB comp ession poin , wi h 4
dB
associa ed Gain.
The
i s s age is ma ched o maximum a ailable gain, while he second
one
is ma ched o maximum ou pu powe .
The
small signal S pa ame e s
o
he ansis o ,
necessa y o designing he i s s age, ha e been measu ed om 6 o
40
GHz, wi h a
Ne wo k Analize using a
TRL
calib a ion echnique.
The
op imum ou pu impedance o
maximum
powe
has been ob ained om a simpli ied equi alen ci cui , and using he
measu ed
DC
cha ac e is ics
o
he ansis o .
The
wo-s age ampli ie has abou 10 dB gain,
21
dBm ou pu powe , and mo e han
10
dB
o
inpu and ou pu e u n loss.
INTRODUCCION
La
comunicaci6n que se p esen a a a del diseiio de un amp1i icado
de
po encia a 28
GHz. Co esponde a
Jos
p ime os esul ados ob enidos en
Jos
abajos
que
se es an ealizando
en el g upo
AMR
del depa amen o
de
TSC
de
la
UPC
bajo con a o con la emp esa ENSA,
a su ez con a ada
po
la Agencia Espacial Eu opea (ESA). El ampli icado o ma pa e de
la cadena ansmiso a de una es aci6n ipo VSAT que u iliza a el sa eli e
OLYMPUS
de la
ESA.
De
acue do con
Jas
ca ac e s icas eque idas pa a
la
es aci6n, debe p opo ciona una
po encia de salida de mayo
de
150 mW a 28 y
28,6
GHz. La po encia
de
salida se consigue
con la combinaci6n de la po encia
de
dos amp1i icado es -basicos que gene an del o den
de
100 mW cada uno. Dada la poca ganancia de Ios ansis o es a esas ecuencias, dicho
ampli icado bcisico cons a.
de
2 e a pas.
La comunicaci6n desc ibe el diseiio
de
uno
de
esos ampli icado es basicos de dos
e a pas.
ELECCION
DEL
TRANSISTOR
El ansis o es la pieza cla e pa a el diseiio del ampli icado , y
de
el depende la
po encia
de
salida que se
pod a
ob ene . Despues
de
consul a exhaus i amen e un g an
nume o de ab ican es, se ob u o que solo uno
de
ellos dispon a de un ansis o capaz de
gane a su icien e po encia en la banda Ka pa a no ene
que
ealiza un g an nume o de
combinaciones. El ansis o elegido (el unico posible) ue el JS8864-AS
de
Toshiba
(dis ibu do
po
Ma com). La igu a 1 mues a un esquema del chip, en el que puede
ap ecia se
que
con iene 6 ansis o es en pa alelo. La anchu a o al de pue a es
de
800
Jl!TI
Es e abajo ha sido sub encionado
po
la Agencia Eu opea del Espacio bajo con a o
n°
8290/89/1 TL/PR, y ealizado en colabo aci6n con la emp esa
ENSA,
con a is a
p incipal.
11
y sus ca ac e is icas a 25° C, de acue do con
la
hoja del ab ican e, son las siguien es:
TRANSISTOR JS8864-AS
CARACTERISTI
CA
SIMBOLO CONDICION UN
!DAD
MIN.
TIP
. MAX.
Po encia de salida
PO
V
05
=7
V -dBm
22
22,5 -
Ganancia de po encia
Gn
los=21ossl3
dB
4 4,5
=
30 GHz -
E iciencia
11
add P;n=
18
dBm % -
13
-
El ab ican e p opo ciona
~;~~~~~~~~~~~~;;;~;;;;;;;;~I
asimismo los pa ame os S has a 40
~
GHz, nedian e
Ios
cuales se ob iene
·~
que es incondicionalmen e es able en
~
S
la banda Ka. Dechos pa ame os, sin
.s
c;
s.
6
.,
G s
emba go, son calculados a pa i de
Figu o...l
T ansis o JS8864-AS. Esquema del chip.
los medidos
pa a
una anchu a de
pue a de 200
J-Lm.
Con obje o de
ob ene mayo p ecision en el dise io, se midie on los pa ame os S con
un
sis ema
desa ollado en el labo a o io, y usando calib acion TRL. Los esul ados se dan en la
e e enda
[ 1].
DISENO
DEL
AMPLIFICADOR
El dise io
del
ampli icado basico de dos e apas ha enido en cuen a los siguien es
c i e ios:
• La impedancia de salida del segundo ansis o es la que co esponde a maxima
po encia de salida.
Se
ha ob enido de una simulacion con el ci cui o equi alen e del
ansis o , y de !as cu as de co ien e con nua del mismo.
•
La
impedancia de gene ado del segundo ansis o se ha calculado con
un
c i e ia
de adap acion conjugada a la en ada, eniendo en cuen a la impedancia de salida
calculada segun lo desc i o en
el
pun o an e io .
• Las impedancias de adap acion, an o de en ada como de salida, de la p ime a
e apa son !as que p opo cionan maxima ganancia en peque ia se ial. Se han
ob enido a pa i de Ios pa ame os S medidos de los ansis o es.
De
los pun os an e io es, el unico que me ece la pena desa olla es
el
p ime o, ya que
es el que equie e un me odo de dise io que implica el uso del ansis o en egimen no lineal.
A pa i de los pa ame os S del ansis o se ob u o un ci cui o equi alen e en egimen de
peque ia se ial.
Po
o o !ado, de las ca ac e is icas de con nua
(I
05
-V
05
) se ob u o la ec a
de ca ga op ima que maximiza la po encia de salida. Dicha ec a de ca ga ija
el
alo de la
esis encia que debe e el gene ado dependien e de co ien e del ci cui o equi alen e.
Teniendo en cuen a en onces !os alo es de los elemen os
Cds
y
Gd
del ci cui o equi alen e,
puede ob ene se la impedancia que debe p esen a se a la salida del ansis o . El me odo sigue
12
el suge ido
po
S. C. C ipps en [2] con algunos
de
Ios esul ados de
H.
Kondoh en [3].
TECNOLOGIA
En el diseiio de ci cui os a ecuencias ele adas, la ecnolog a es uno
de
!os aspec os
mas impo an es (o el mas impo an e) a ene en cuen a. Una ez calculadas !as impedancias
que deb an p esen a se a Ios di e en es e minales
de
los ansis o es, su s n esis se ealiz6 con
J neas acopladas mic os ip. La en aja
de
es as es que hacen innecesa io el uso de
condensado es
de
desacoplo que, a esas ecuencias, son siemp e di iciles
de
ca ac e iza . El
subs a a u ilizado es alumina con
e.=9.9
y espeso
h=0,254
mm.
La
anchu a
de
una l nea
de 50 n sob e es e subs a a es
de
0.23
mm, y !as sepa aciones necesa ias pa a !as l neas
acopladas son
de
50 Jl.
La
u ilizaci6n
de
dicho subs a a s6lo es posible con p ocedimien os
muy p ecisos
de
ealizaci6n de ci cui os. En el caso del ampli icado p esen ado, se ha
ealizado g acias al sis ema
de
"Ion Beam Milling" exis en e en la emp esa Elec 6nica Ensa,
que pe mi e ob ene ales p ecisiones.
La
igu a 2 mues a un esquema del
ampli icado , en el que pueden ap ecia se !as edes
de adap aci6n con l neas acopladas, as c6mo !as
edes
de
pola izaci6n, cuyo diseiio es clasico.
Dichas edes p esen an al e minal
de
pue a
de
!os
ansis o es una impedancia
de
50 n en baja
ecuencia, lo
que
anula !as posibles oscilaciones
pa asi as.
,
13P.AC
1
oPAc
J
Figu o..2 Ci cui o mic os ip del
Los ansis o es se han soldado median e ampli icado
de
2 e apas.
epoxy conduc o , y !as conexiones a !as pis as
median e hilo?
de
o o y e mocomp esi6n. Los ansis o es no ienen conexi6n in e na de
uen e (" ia hole")
po
lo
que
es p eciso ealiza !as conexiones de es e e minal con hilos.
El ci cui o mic os ip se suelda en una caja me alica y la salida al ex e io se hace
median e ansiciones
de
mic os ip a coaxial con conec o OS-50.
RESULT
ADDS
La
igu a 3 mues a la medida de la ganancia y
de
la adap aci6n
de
en ada y salida
del ampli icado . Se obse a que, en pequeiia seiial, iene una ganancia
de
unos
10
dB, lo
cual es compa ible con las ca ac e s icas del ansis o . Se mues an asimismo los esul ados
de una simulaci6n con el p og ama
MDS,
con i mando una buena conco dancia de ambas
cu bas.
La
igu a 4,
po
su pa e, mues a la medida, a 28 GHz,
de
la
ca ac e s ica
Pou -Pin
pa a el mismo ampli icado . Se ap ecia una po encia
de
salida en el pun o de 1
dB
de
comp esi6n
de
21
dBm. Teniendo en cuen a las pe didas
de
la
ed
de
adap aci6n
de
salida,
y las
de
la ansici6n OS50, puede conside a se es e esul ado de muy sa is ac o io.
CONCLUSIONES
Se
ha
p esen ado en es a comunicaci6n el dise io y ab icaci6n de un ampli icado de
po encia a 28 GHz. El ci cui o ap o echa al maximo las ca ac e s icas
de
po encia del
ansis o u ilizado, y p opo ciona una po encia
de
salida mayo de 100
mW
en el pun o de
1 dB
de
comp esi6n. La ecnolog a u ilizada ha sido mic os ip, u ilizando llneas acopladas
pa a ealiza las adap aciones. El ansis o se ha u ilizado sin encapsula y se
ha
conec ado
13
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Ql.[
l9.5
Figu o.3 Ganancia y adap aci6n de en ada y salida en pequei'ia
sei'ial
del ampli icado
cons u do. Compa aci6n con alo es simulados
24
-----------------------------------------,
Powe
Ou pu
(dBm) 2 1
/
18
15
12
9
6
3
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-6
-4
-2
0 2 4 6 8 10
12
14
Inpu
Powe
(dBm)
Figu o.4 Ca ac e s ica de sa u aci6n del ampli icado .
14
!
..
..
.
a las l neas mic os ip median e e mocomp esi6n de hilos de o o. El ci cui o dise iado es el
elemen o undamen al de un ampli icado de po encia de ele ada ganancia que se es a
dise iando en la ac ualidad. Es e ampli icado combina la po encia de dos ci cui os c6mo los
que se han desc i o
en
es e a iculo, y u iliza o os m6dulos pa a ob ene una ganancia del
o den de 30 dB. Fo ma pa e de una es aci6n e ena del sa eli e OLYMPUS pa a el
expe imen o CODE.
AGRADECIMIENTOS
Los esul ados ob enidos
no
hubiesen sido posibles sin la colabo aci6n de los auxilia es
de in es igaci6n
J.
Gine , y
A.
Cano
REFERENCIAS
[1]
L. P adell, C. Saba e , E. A al, A. Come on,
J.
Ba a,
I.
Co bella, J. Fo uny "Medida
de pa a me os S de ansis o es chip has a 40 GHz u ilizando calib aci6n TRL". V
Symposium Nacional de la Union Cien ica In e nacional de Radio. Vigo, 26-28 de
sep iemb e de 1990
[2] S. C. C ipps "A heo y o he p edic ion
o
GaAs
FET
Load-Pull powe con ou s". IEEE
MTT-S Diges 1983. Pags 221 a 223
[3]
H. Kondoh "FET powe pe o mance p edic ion using a linea ized de ice model" IEEE
MTT-S Diges 1989. Pags 569 a 572
15