Entwurf und Realisierung eines Antennenverstärkers im 2,4 GHz-ISM-Band mit Hilfe des Advanced Design Systems (ADS)

Diplomarbeit von Erik Schiffer

Einleitung:

Die Aufgabe dieser Diplomarbeit ist der Entwurf und die Realisierung eines zweistufigen Antennenverstärkers für das 2,4 GHz-ISM-Band. Dieses Band ist für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen zugewiesen und erstreckt sich von 2400 MHz bis 2483,5 MHz. In diesem Band arbeiten die immer populärer werdenden Anwendungen Wireless LAN und Bluetooth.

Um Erfahrung auf dem Gebiet der Mikrowellentechnik zu sammeln, wird als Vorversuch ein einstufiger Verstärker aufgebaut.

Für den Entwurf des Verstärkers steht das professionelle Entwicklungs- und Simulationstool ‘Advanced Design System’ (ADS) der Firma Agilent in der neusten Version 2002C zur Verfügung.

Mit diesem Tool wird der Verstärker schrittweise entworfen und die Simulationsergebnisse mit den Messungen des praktischen Versuchsaufbaus verglichen.

Diese Diplomarbeit ist in vier Kapitel gegliedert. Im ersten Kapitel wird auf die generelle Vorgehensweise beim Bau eines Mikrowellenverstärkers eingegangen.

Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit dem Advanced Design System.

Im dritten Kapitel wird der Entwurf des einstufigen Verstärkers beschrieben.

Der Bau des zweistufigen Verstärkers ist Gegenstand des vierten Kapitels.

Inhaltsverzeichnis:

	Einführung	3
1.	Generelle Vorgehensweise beim Bau eines GHz-Verstärkers	6
1.1	Streuparameter (S-Parameter)	6
1.2	S-Parameter Messtechnik	9
1.2.1	Netzwerkanalysator	9
1.2.2	Zeitbereichsreflektometrie (TDR = Time Domain Reflectometry)	14
1.3	Mikrostreifenleitung (Microstripline)	16
1.4	Feldeffekttransistoren (FET)	18
2.	Entwurfsverfahren mit dem Advanced Design System (ADS)	24
2.1	Installation von ADS	24
2.2	ADS Grundlagen	24
2.3	Verwendete Funktionen	28
3.	Vorversuch: Bau eines einstufigen Verstärkers	34
3.1	Bestimmung der S-Parameter des ATF 54143	34
3.2	Zeitbereichsbetrachtung mit Hilfe des TDR-Messplatzes	42
3.3	SMD-Spule im Frequenzbereich	47
3.4	Realisierung der Bias-Glieder mit SMD-Bauteilen	51
3.5	Bestimmung der relativen Dielektrizität (r) des Platinenmaterials	57
3.6	Anpassnetzwerk	61
4.	Bau des zweistufigen Verstärkers	82
4.1	Versuche mit dem Platinenmaterial	82
4.2	Entwurf des zweistufigen Verstärkers	85
4.3	Erstellung des Platinenlayouts	89
4.4	Fertigstellung des Verstärkers	92
4.5	Schlussbetrachtung	96
	Anhang A: Literaturverzeichnis	A1
	Anhang B: Installation des GP-IB-Busses	A2
	Anhang C: Touchstone Datei der S-Parameter des Transistors ATF 54143	A3
	Anhang D: Datenblatt der Bias-Glieder Mini-Circuits ZFBT-6GW	A4
	Anhang E: Datenblatt des Platinenmaterials Taconic TLC-30	A7
	Anhang F: Datenblatt des Transistors ATF 54143	A12

Textprobe:

Kapitel 3, Vorversuch: Bau eines einstufigen Verstärkers:

3.1, Bestimmung der S-Parameter des ATF 54143:

Um Erfahrung zu sammeln, wurden die S-Parameter des vorhandenen Transistors gemessen und mit den Datenblattwerten und den Simulationsergebnissen verglichen.

ADS-Simulation:

Um die entsprechenden Simulationen mit ADS vornehmen zu können, wird von der Agilent-Hompage (www.agilent.com) das ADS-Modell des Transistors ATF 54143 heruntergeladen. Dieses Modell wird mit dem Windows Explorer in den Ordner Networks des Projektes ‘Diplomarbeit’ kopiert. Das Modell steht somit in diesem Projekt in der Library als Subcircuit zur Verfügung. Zur Simulation der S-Parameter wird das Transistormodell in eine Schematic eingefügt (siehe Bild 3.1.1). Die Source-Anschlüsse des Transistors werden über jeweils zwei VIA2-Glieder auf Masse gelegt. Ein VIA2-Glied (engl. via = über) besteht aus einem kurzen Stück Leitung und einer Induktivität und soll die Durchkontaktierung nach Masse modellieren. Es werden in der Simulation wie später im praktischen Aufbau jeweils zwei Durchkontaktierungen verwendet, um eine möglichst gute und reale Masseverbindung herzustellen. Damit ADS die bei der Durchkontaktierung entstehende Induktivität und die Leitungslänge berechnen kann, ist es notwendig, Angaben über das verwendete Platinenmaterial zu machen. Dies geschieht über die Maske MSUB (Modell Substrat). Der wichtigste Eingabeparameter ist die relative Dielektrizitätszahl r. Da der genaue Wert des Platinenmaterials zunächst nicht bekannt war, wurde ein Standartwert von r = 4 verwendet.

Um einen Arbeitspunkt einstellen zu können, werden Gate und Drain jeweils über ein DC-Feed (ideale Induktivität) auf eine Spannungsquelle geschaltet. Der Gleichstrom wird nach außen mit zwei DC-Blocks (ideale Kapazitäten) abgeblockt.

In Bild 3.1.2 ist das ADS-Modell des ATF 54143 zu sehen, das in die Schematic als Subcircuit eingefügt wurde. Dieses Modell beinhaltet eine ‘Model Card’, auf der die eigentlichen Transistorparameter spezifiziert sind. Die innere und äußere Beschaltung wird mit Reaktanzen und Microstriplines modelliert. Für die Microstriplines ist auch die Definition des Substrates (MSUB) erforderlich.