3CM LOW NOISE AMPLIFIER

Le premier prototype développé en 2011 a permis de localiser les points sensibles à travailler pour gagner en performance :

  • Choix du transistor.
  • Choix du substrat.
  • Entrée en guide avec structure faible perte et large bande.
  • Filtre passe bande et transition de sortie.
  • Polarisation par circuit dédié (comme sur le prototype de 2011).
  • Suppression des problèmes de résonances boitier et donc des oscillations.
 
CHOIX DU TRANSISTOR

Pour ce design, j'ai décidé d'utiliser un NE3515S02.
Ce transistor peut être facilement approvisionné chez différents fournisseurs.
De plus, à 10.4 GHz, les paramètres de bruit et d'adaptation présentent un bon compromis:

F=10.369GHz; Gopt=(26+j31.8) Ohms

CHOIX DU SUBSTRAT

Un autre point important est le choix du substrat. Dans mon cas j'ai décidé d'utiliser do RO4003C en épaisseur de 0.305mm.
Ce substrat est proposé par pratiquement tous les fabricants de circuits.
Cette épaisseur permet d'avoir des largeurs de pistes bien adaptées aux différentes impédances utilisées dans le LNA.

Z=50 Ohms : W=0.63mm.
Z=26 Ohms : W=1.68mm.
Z=100 Ohms : W=0.127mm.

La finition appliquée au circuit est "Immersion Siver". 

https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/PCB_LNA3CM_V1_A.JPG


TRANSITION GUIDE / MICROSTRIP 

En regardant les design disponibles sur le marché, on peut voir qu'en général le choix est de réaliser une transition faible perte adaptée à 50 Ohms.
L'adaptation en bruit est ensuite réalisée par un réseau classique à base de stub.
Le gros problème de ce genre de transition est d'être très sensible à l'impédance présentée par la transition et également par les variations des caractéristiques du transistor lui même.
L'idée a donc été de réaliser une transition directement adaptée au Gopt du transistor.
Afin d'augmenter la bande passante de cette transition le choix a également été de passer par une hauteur réduite du guide d'onde.
Un autre point important est d'avoir un montage mécanique qui soit simple et reproductible.

Le design final de cette transition est la suivante :



On peut voir cette structure permet d'être proche de l'optimum. L'impédance vue à l'entrée du transistor est situé à l'intérieur du cercle NFmin+0.1dB.
On peut voir aussi que cette transition est très large bande.


FILTRE PASSE BANDE ET TRANSITION DE SORTIE

Afin de limiter le gain en dehors de la bande utile, un filtre imprimé à été ajouté en sortie du deuxième étage.
Ce filtre a une bande passante d'environ 700MHz.
De plus la transition microstrip /Coax à été optimisée afin d'obtenir un bonne adaptation de sortie.

https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/PCB_LNA3CM_V1_G.JPG




CIRCUIT DE POLARISATION

Comme dans mon prototype de 2011, j'ai utilisé un circuit dédié pour la polarisation des transistors.
En 2011 on pouvait utiliser le ZNBG2000 qui était prévu pour deux étages et avait un boitier de taille réduite.
Depuis ce circuit à été abandonné, j'ai donc choisi d'utiliser le ZNBG4000. Ce circuit est prévu pour 4 étages.
Dans mon cas j'utilise la sortie FET1 pour le premier étage et la sortie FET3 pour le deuxième étage.
Il est alors possible d'ajuster indépendamment le courant de polarisation par Rbias1 et Rbias2.

https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/PCBA_LNA3CM_V1_C.JPG



EFFET BOITIER

Afin de supprimer les oscillations causées par les effets de boitier, la partie mécanique a été optimisé afin de compartimenter au mieux les différents étages et alimentations.
La distance qui sépare le PCB du fond du couvercle est de 2.8mm. Cette distance permet d’empêcher l'apparition de modes guidés jusqu'à des fréquence supérieures à la fréquence de fonctionnement.

https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/Enclosure_BLAST_C.JPG
 
Il est donc inutile d'utiliser de la mousse absorbante qui vieillit très mal dans le temps.

RESULTATS

Toutes les mesures de bruit ont été réalisées sur le banc décrit précédemment (description ici).
Ce banc permet de faire facilement des mesures sur une large bande de fréquence.

La transition utilisée pour la mesure est une HP X281C.

https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/HP_X281C.jpg

Les pertes d'insertion de cette transition sont prises en compte dans toutes les mesures qui suivent (0.08dB).

Le premier LNA câblé à donné les résultats suivants (aucun réglage) : 

Prototype 1 :
F=10G ; NF=0.59dB ; G= 20.68dB
F=10.375G; NF=0.57dB; G=21.2dB
F=10.7G; NF=0.58dB; G=18.8dB


Pour comparaison, avec mon DB6NT donné pour 0.7dB@10.37GHz, j'obtiens: 

F=10G ; NF=0.67dB ; G= 26.37dB
F=10.375G; NF=0.72dB; G=24.42dB
F=10.7G; NF=0.72dB; G=25.7dB

A partir de ce prototype, les possibilités d'améliorations sont :
  • Optimisation du courant de polarisation.
  • Test de l'influence de la finition du boitier sur le résultat.
  • Ajout de stubs pour essayer d'optimiser le résultat.

Courant de repos 

L'optimum a été trouvé avec un courant de 12mA pour le premier étage et de 15mA pour le second étage.


Influence de la finition

Afin d'essayer de voir l'influence sur le résultat, deux LNA de chaque finition ont été assemblés (Aluminium brut, aluminium sablé et traitement de surface SURTEC 650). Aucun réglage particulier n'a été apporté aux circuits. 

https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/PROTOTYPE_TEST_6PCS_A.jpg

Les résultats obtenus sont :

 F (GHz) DB6NT
 Proto 1
Aluminium
 Proto 2
Aluminium
 Proto 3
Sablage
 Proto 4
Sablage
 Proto 5
SURTEC 
 Proto 6
SURTEC
 10G=26.4dB
NF=0.67dB 
G=20.2dB
NF=0.61dB
 
G=20.2dB
NF=0.60dB
 
G=19.2dB
NF=0.65dB
 
G=19.6dB
NF=0.60dB
 
G=19.6dB
NF=0.58dB
 
G=20.1dB
NF=0.60dB
 
 10.375 G=24.3dB
NF=0.73dB
G=20.2dB
NF=0.59dB
 
G=21.2dB
NF=0.58dB
 
G=21.1dB
NF=0.62dB
 
G=21dB
NF=57dB
 
G=21.1dB
NF=0.56dB
 
G=21.1dB
NF=0.57dB
 
 10.7 G=25.7dB
NF=0.73dB
G=18.3dB
NF=0.58dB
 
G=18.5dB
NF=0.58dB
 
G=19.2dB
NF=0.62dB
 
G=18.3dB
NF=0.56dB
 
G=18.3dB
NF=0.55dB
 
G=18.1dB
NF=0.58dB
 

On voit qu'aucune finition ne se démarque des autres. Le prototype n:3 est un peu moins bon que les autres mais reste dans des valeurs tout à fait acceptable.


Des mesures au VNA ont être réalisées :


Mesure DB6NT
https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/DB6NTGainNB.JPG   




Mesure PROTOTYPE

https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/ProtoGainNB.JPG   

https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/ProtoGainWB.JPG    
https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/ProtoStabilityWB.JPG

https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/ProtoGainDis.JPG   
  
https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/ProtoRLINDisp.JPG
      https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/ProtoRLINDisp.JPG   


Ces mesures montrent que les LNA sont bien centrés sur la fréquence de fonctionnement. Le filtre fonctionne correctement.
L'adaptation en entrée est large bande. Ce type de transition associée au bon choix de transistor donne de très bon résultats.

Le réseau d'adaptation en sortie joue également son role. La dispersion observée semble être impactée par la qualité de la soudure au niveau de la transition. Celle ci est réalisée, une fois la mécanique refermée, par un trou de 4mm de diamètre. Il est donc difficile de pouvoir optimiser la quantité de soudure utilisée.

La stabilité est bonne. La mécanique spécifique développée pour le couvercle donne des bons résultats.

La dispersion observée sur les 6 prototypes est très bonne. Il faudra être vigilant lors de l'approvisionnement d'un nouveau lot de circuits imprimés.




Optimisation du NF par ajout de stub

Afin de voir si ce design est proche de la limite, un couvercle a été modifié pour avoir accès à la piste d'entrée du premier transistor et à la piste située entre les deux transistors. 
Après plusieurs tentatives, je ne suis parvenu à gagner significativement en facteur de bruit.
La seule piste qui semble pouvoir donner des résultats serait de modifier légèrement la géométrie de la transition.
Pour le moment, le design va rester en l'état. L'important est de finir les tests de validations.


Mesures réalisée par F5JWF

Philippe F5JWF a réalisé des mesures de NF et gain sur son propre système de mesure.
Une première mesure est celle du LNA DB6NT de référence et une seconde celle d'un de mes prototypes.  

 F (GHz) DB6NT
 F1OPA
 10.37
 G=24.9dB
NF=0.78dB
G=21.8dB
NF=0.60dB 

Ces mesures ne tiennent pas compte de la perte de la transition guide d'onde utilisée. 
On peut estimer cette perte à environ 0.1dB.
On retrouve bien la même tendance que mes propres mesures.
Des mesures sur son antenne doivent être prochainement réalisées.



Mesures réalisée par F1LVO

Jean François a accepter de faire quelques mesures sur un des prototype.
Les premières mesures au VNA donnent :

   https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/Pr%C3%A9ampli%2010GHz%20F1OPA%20S11_S22.JPG     https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/Pr%C3%A9ampli%2010GHz%20F1OPA,%20HP%20X281_S11_S21.JPG

Ces mesures donnent des résultats similaires aux mesures effectuées de mon coté.
On voit que sur 2GHz de bande passante, le RL en entrée reste inférieur à -10dB.

A l'aide d'un stub variable NARDA placé en entrée, Jean François a essayer de trouver une impédance faisant entrer en oscillation la LNA. Ce dernier est resté stable durant tous les tests.

https://sites.google.com/site/vincentf1opa/descriptions/3cm-low-noise-amplifier/Pr%C3%A9ampli%20-stub-a.JPG
 



Mesure cs/gnd

Un premier LNA est arrivé chez F5BUU. Avec son setup de mesure, la mesure donne 7.5dB.

Deux prototypes ainsi que le LNA de référence de DB6NT ont être envoyés chez Dominique F6DRO pour des mesures complémentaires.
Les résultats obtenus sont :
  • REFERENCE LNA DB6NT (0.7dB) : cs/gnd=7.4dB
  • LNA OPA N:1 : cs/gnd=8dB
  • LNA OPA N:2 : cs/gnd=7.9dB

Après calcul, le LNA N:1 aurait un facteur de bruit de 0.55dB. On retombe bien sur les valeurs mesurées au banc de test.






CONCLUSIONS

Le design ayant été validé sur les prototypes, ce LNA est disponible à la vente.