２００５年度秋期実用マイクロ波講座

無線機設計におけるＲＦ技術のすべて無線機設計におけるＲＦ技術のすべて

２００５年　９月～１２月

松下電器産業（株）　上野　伴希（工学博士）

研修アジェンダ

１．システム設計概要

２．低雑音アンプ(LNA)その１

５．ローカル発振器

１０．ダイレクトコンバージョンＲＸ／ＴＸ

８．パワーアンプ(PA)

４．ミクサ

９．その他の回路

６．変復調その１

３．低雑音アンプ(LNA)その２

７．変復調その２

２．低雑音アンプ(LNA)その１－基本設計２．低雑音アンプ(LNA)その１－基本設計

２００５年　９月１４日（水）

１．インピーダンス整合の原理

２．Sパラメータ

３．スミスチャート

４．インピーダンス整合の基礎回路

５．同時共役整合

６．アンプ回路設計実例ノウハウ

７．ノイズマッチ

インピーダンス整合（設計基礎）

有能電力と反射係数

Pav：有能電力

2

+

=Ls

LL RRVRP

+−

−=22

14 sL

sL

s RRRR

RV

( )2||1 rPav −=

r：反射係数

r = 0：反射なし RL = Rs

V

RsI

RL

信号源負荷

Pav =V2

4Rs

交流回路

負荷消費電力は

インピーダンス整合（設計基礎）

共役整合とは

整合回路の基本素子

*Ls ZZ = *Ls YY =

Rs

RL

信号源インピーダンス

GLBLGs Bs

Xs XL

負荷

　 信号源アドミタンス

負荷

HP形LP形 インピーダンストランス

Rs Xs

RL

XLXs

XL

Ｓパラメータ

Ｓパラメータの定義

V1 V2

a1a2b1

b2

Zo = R

RZo

R

ZoSマトリックス

b1 a1a2

=S11S21

S12S22b2

v1+ v1－V1 = +

v2+ v2－V2 = +

v1+

Zoa1 =

v1－

b1 = Zo

v2+a2 = Zo

v2－b2 = Zov+；入射波電圧

v－；反射波電圧

２ポート回路特性をＳマトリックスで表現

Ｓパラメータ

Ｓパラメータの意味

Ｓ２１；（トランスデューサ）電力利得

Ｓ１１；入力反射係数（入力インピーダンス）

b1a2= 0

a1S11

高周波回路直結

R

R信号源負荷

PavPL'

R

R信号源負荷

a1 b2

GT

01

111

2 =

=aa

bS

01

221

2 =

=aa

bSb2

a2= 0

a1S21

スミスチャート

スミスチャートとは

or

or

ZZZZ

+−

=Γ１．（複素数）反射面

２．それにインピーダンス座標を加えたもの

３．アドミタンス座標追加可能

４．SWR円座標追加可能

Zr

Γ－平面

Γ

0 ∞

+ja

-ja

a

SWR円

スミスチャート

インピーダンスの１次変換

aZa

aZaZ

rr

r

+−=

+−

=21Γ

１次変換

fr

jX

Rr R0

f1

f2

a

+ja

-ja

+jRr

-jRr

①

②

③

④

⑤

⑥

∞

∞

f = 0

f =∞

⑦

⑥

⑥

⑧

⑨

インピーダンス　　軌跡

-R

-∞

0 ∞⑥

④

①

③

⑤+ja

-ja

⑦

a

f1

fr

f2②

⑧

⑨

インピーダンス　　軌跡

Γ－平面

2

r Zr

Rr

L

C

Z

素子

スミスチャート

スミスチャートは反射係数面

反射係数一定の軌跡はSWR円

aZaZ

r

r

+−

=Γ

インピーダンス（VSWR）と周波数帯域？

aYaY

aYaY

aZaZ

r

r

r

r

r

r

/1/1

/1/1

+−

−=+−

=+−

=Γ

Zr→1/Yrを代入するとアドミタンスチャート

Zr

0 ∞

+ja

-ja

a

Γ－平面

SWR円

Γr

||1||1

ΓΓρ

−+

=

インピーダンス整合の基礎回路

整合回路と基本素子

インピーダンスの推移

C1C1C2

L1

L1R2= 500Ω

R1 = 50Ω

R2= 500Ω

L2

Ls = L1 + L2

Rx Rx

L-セクション π-セクション

-j100

-j50

-j25j40m j10m

j20m

j50

j100j25-j10m

-j20m

-j40m

50 20m A

B

+j9.4m+j126

+j23mC

100MHz

500Ω

15pF201nH

36.6pF

πセクションの例

インピーダンス整合の基礎回路

分布定数線路

インピーダンスの推移

伝送線路＋容量性スタブ

伝送線路

容量性スタブ

250Ω

伝送線路

容量性スタブ

250Ωストリップライン50Ω

12GHz

50Ω35Ω 7.9mm

3.6mm

同時共役整合

トランジスタ増幅回路の整合

整合⇒共役インピーダンス⇒共役反射係数

L

L

SSSSS

ΓΓ

22

12211111 1

'−

+=s

s

SSS

SSΓΓ

11

12212222 1

'−

+=

S11'

R

RSマトリックス

S22'

入力整合回路 出力整合回路

Γs

ΓL

sS Γ='*11 LS Γ='*22 より，式が解ける共役整合の条件

L

Ls S

SSSΓΓ

Γ22

122111 1

*−

+=s

sL S

SSS

ΓΓ

Γ11

122122 1

*−

+=

同時共役整合

トランジスタの同時共役整合

212212211

22221

)1)(1(

)1)(1(

LsLs

LsT

SSSS

SG

ΓΓΓΓ

ΓΓ

−−−

−−=（トランスデューサ）利得

共役整合の条件

安定係数 12

1

1221

222

211

212212211 >

−−−+=

SSSSSSSS

K

1

21

211

2

4

C

CBBs

−±=Γ

2

22

222

2

4

C

CBBL

−±=Γ

2222

2111 1 DSSB −−+=

2211

2222 1 DSSB −−+=

*22111 DSSC −=*11222 DSSC −=

21122211 SSSSD −=

−−= 12

12

21max KKS

SG最大有能利得

同時共役整合

整合の実際

ΓΓ

−+

=11

oi ZZ

Z2Z1

S11' S22'

L1

C1 L2

C2

1>K

50Ω

= 6.24 + j0.541

= 46.62－j124.32

周波数

1000MHzZ1

Z2

L1 C1L2

C2

2SC3356

アンプ回路設計実例ノウハウ

ユニラテラル（S12 = 0）を仮定

シミュレーションの活用

L

L

SSSSS

ΓΓ

22

12211111 1

'−

+=s

s

SSS

SSΓΓ

11

12212222 1

'−

+=

2SC3356

(9.5) 5nH

(11.2) 12pF

(0.98) 0.5pF

(11.4) 15nH

50Ω 50Ω

周波数　[MHz] 1000-10

0

10

20

30

周波数500～1000MHz

マーカ∆f =100MHz

50Ω norm.

SWR円

3.02.01.5

S11

S22

調整前

調整前

調整後

500

500

500

2SC3356，800MHzでの設計（K

アンプ回路設計実例ノウハウ

段間の整合

Z1

Z2

Z2*

段間直接整合

S11

SWR円3.02.01.5

周波数900～1100MHz

900

900 900 1000 1100周波数　[MHz]

S22

40

0

10

20

30

マーカ∆f =50MHz

50Ω norm.

S11

S22

S22S22

S11

S11

１段x2従属接続段間マッチング

アンプ回路設計実例ノウハウ

広帯域増幅回路の設計 ミスマッチングを利用

１段－入力整合，出力回路ミスマッチング

複数段－入力出力整合，段間回路ミスマッチング

入力負荷

出力負荷

出力定利得円

－1－2

－3dB

Γs

ΓL

100周波数　[MHz]

0

10

20

30

10 1000

帯域上端でマッチング

帯域

S21

ミスマッチで利得低下

シミュレーション設計がよい

アンプ回路設計実例ノウハウ

フィードバック回路

特性

広帯域増幅回路の設計

RLR1 R2

C

200

0

10

20

周波数　[MHz]1000 1200

-20

-10

500

S21

R + L

R + LR

RS11

トランジスタ2SC3356

TrのＳパラメータ

負帰還回路　R負帰還回路　R+L

R = 200Ω L = 40nH

アンプ回路設計実例ノウハウ

シャント素子

回路パターン

分布定数回路によるマッチング

シリーズ素子

L C

L C

ZoZoβ β

ll

先端ショートストリップライン

先端オープンストリップライン

Zoβ

l

ストリップ線路

50Ω22.5Ω

24Ω入力

出力

NE3210S01

50Ω

35Ω入力出力35Ω

50Ω

アンプ回路設計実例ノウハウ

スミスチャート上のインピーダンス変化

シリーズ伝送線路によるマッチング

50Ω norm.

ノイズマッチ

入力負荷インピーダンスをどこに合わせる？

NF最良点となる入力負荷インピーダンス

Γopt

0.35

0.50.7

1.01.5dB

同時共役整合の負荷インピーダンス Z1*

Fmin

50Ω norm.

周波数12.45GHz

NE3210S01メーカ提供のデータ

Γopt，Fmin，Rn/50（雑音抵抗）

Rn/50 = 0.09

出力負荷整合はシミュレーションで

ノイズマッチ

ノイズマッチを僅かにずらす

Γopt

0.35

0.50.7

1.01.5dB

同時共役整合の負荷インピーダンス Z1*

Fmin

50Ω norm.

周波数12.45GHz

NE3210S01

ノイズマッチ

ノイズマッチ

NFと入力SWRの妥協設計

妥協設計

0

10

-10

周波数　[GHz]

10 1512.2～12.7

-20

Zo = 35Ω

l1 = 8.7mm

Zo = 70Ω

l2 = 7.0mm k = 1k = 1

S11

S21

S22

l2 = 1.0mm

l1 = 6.0mm

S22

S11

ノイズマッチ

RF-ICの例

Off-Chip

LLoad

RF in

RF out

LeRbais

Vbais

Vcc

（ノイズマッチ用）

（例）　Le = 0.15nH，5.8GHz，SiGe 0.35µプロセス