Impedanzanpassung von HF-Leistungsverstärkern bei Mikrowellen- und mmWellen-Frequenzen

Laut MarketWatch wird erwartet, dass der Gesamtmarkt für RF-Verstärker bis 2023 über 27 Milliarden Dollar erreichen wird. Wo werden also all diese RF-Verstärker voraussichtlich eingesetzt? Ein gesunder Teil des erwarteten Wachstums ist 5G und der allgemeinen Expansion von Mobilfunknetzen zu verdanken. Für die PCB-Designer da draußen wird die Impedanzanpassung von RF-Verstärkern, besonders bei Hochleistungsverstärkern, zu einem wichtigen Designpunkt.

Impedanzanpassung bei RF-Verstärkern für große Signale

Experten für RF-Leistungsintegrität sind wahrscheinlich mit der Notwendigkeit guter Spannungsregler in mobilen Geräten vertraut, um transiente Signale am Ausgang eines Verstärkers zu unterdrücken, besonders beim Umgang mit gepulsten RF-Leistungsverstärkern. Die Signalintegritäts-Experten, die jetzt vielleicht mit RF-Design zu arbeiten beginnen, sind wahrscheinlich daran gewöhnt, mit S-Parametern bei niedrigen Signalpegeln zu arbeiten, wenn sie ihre RF-Schaltungen analysieren und die geeignete Impedanzanpassung bestimmen. Die Verwendung von S-Parametern ist bei der Gestaltung von RF-Verstärkern der Klasse AB und Klasse C nicht angebracht, da diese Verstärker grundsätzlich im nichtlinearen Bereich arbeiten.

In Bezug auf die Leistungsübertragung bei niedrigen Signalpegeln (d.h. im linearen Bereich) ist die maximale Leistungsübertragung gesichert, wenn die Lastimpedanz an das komplexe Konjugat der Verstärkerausgangsimpedanz angepasst ist. Ein Leistungsverstärker (normalerweise im RF-Sendebereich eingesetzt) könnte jedoch eine höhere Verstärkung und Effizienz bei der Nennausgangsleistung bieten, wenn eine absichtliche Impedanzfehlanpassung vorliegt.

Bei Betrieb mit hoher Ausgangsleistung kann die Übereinstimmung/Unstimmigkeit der Ausgangsimpedanz/Lastimpedanz des Verstärkers, die die maximale Leistungsübertragung an die Last erzeugt, nicht mit der Übereinstimmung/Unstimmigkeit übereinstimmen, die bei der gewünschten Frequenz die maximale Effizienz erzeugt (dies gilt sicherlich für resistive Komponenten). Wie können Sie also die richtige angepasste Impedanz an der Last bestimmen, um sicherzustellen, dass Sie die beste Leistung sehen? Da die vom Quellgerät gesehene Impedanz von den Eingangs- und Ausgangsleistungspegeln des Verstärkers abhängt, müssen Sie eine Lastzuganalyse verwenden, um die geeignete Impedanz zu bestimmen, die von der Ausgangsseite des Verstärkers gesehen wird. Dann müssen Sie die Impedanz der Last an diesen Wert anpassen.

Es gibt eine ziemlich einfache Methode, um eine Lastzieh-Analyse mit einem Simulator und einem Smith-Diagramm durchzuführen. Die Idee besteht darin, eine große Anzahl von Lastimpedanzwerten zu durchlaufen (denken Sie daran, Impedanz ist die Summe aus Widerstand und Reaktanz) bei einer spezifischen Eingangsleistung. Dann messen Sie den Ausgangsstrom/die Ausgangsspannung für jede Kombination aus Lastwiderstand und -reaktanz, was Ihnen auch ermöglicht, Verstärkung und Effizienz zu berechnen. Anschließend tragen Sie die Ausgangsleistungskonturen als Funktion der Lastimpedanz bei der besonderen Eingangsleistung auf.

Dies wird im Smith-Diagramm unten gezeigt: Jede Kontur zeigt die Menge an Widerstands- und Reaktanzwerten, die eine spezifische Ausgangsleistung (grün) und Effizienz (blau) erzeugen. Die rote Kontur zeigt die Region, in der diese beiden Kurvensätze sich überschneiden. Sie können dann den Kompromiss zwischen Ausgangsleistung und Effizienz für spezifische Ausgangsleistungen bestimmen, wo sich Konturen schneiden. Beachten Sie, dass Sie bei einer anderen Eingangsleistung einen anderen Satz von Konturen erzeugen werden.

Beispiel eines Smith-Diagramms mit Ergebnissen aus der Lastzieh-Analyse für die Impedanzanpassung eines RF-Verstärkers [Quelle]

Die Kombination aus Reaktanz und Widerstand, die Sie aus den Lastzug-Ergebnissen bestimmen, wird Ihnen sagen, welches Anpassungsnetzwerk Sie verwenden sollten, um die Lastimpedanz einzustellen. Dies können Sie dann mit Messungen eines Vektor-Netzwerkanalysators an einem Testcoupon überprüfen. Achten Sie auf das Verhalten Ihres Anpassungsnetzwerks bei hohen Frequenzen; zusätzlich zur Eigenschwingung (siehe unten) kann die Bandbreite Ihres Anpassungsnetzwerks bei FMCW-Chirp-Radar einige Probleme verursachen. Beachten Sie, dass bei 77 GHz die Chirp-Reichweite 4 GHz erreichen kann, daher sollte Ihre Bandbreite von 73 bis 81 GHz relativ flach sein.

RF-Verstärker aus ICs und diskreten Komponenten

Wenn Ihr gewünschtes IC Ihre Anforderungen nicht erfüllt und Sie einen benutzerdefinierten Verstärker aus diskreten Komponenten entwerfen müssen, werden Sie bei RF-Frequenzen aus mehreren Gründen mehr Schwierigkeiten haben. Zusätzlich zur nichtlinearen Antwort dieser Verstärker bei hoher Leistung kann das tatsächliche Layout aufgrund von Impedanzfehlanpassungen zwischen den Komponenten Probleme mit der Signalintegrität verursachen. Aufgrund der Impedanzmerkmale verschiedener Komponenten ist es möglicherweise nicht möglich, die Impedanz im gesamten Verstärkerdesign anzupassen. Dies liegt an den sehr kurzen Wellenlängen der mmWave-Frequenzen (siehe unten).

Bevor wir uns einigen Layoutpunkten zuwenden, betrachten wir die Komponentenauswahl. Komponenten auf Basis von GaN eignen sich am besten für aufkommende Bereiche des RF-Designs, bei denen die Frequenzen 10-100 GHz umfassen (z.B. 5G oder andere mmWave-Anwendungen). Bei niedrigeren GHz-Frequenzen sind Komponenten, die auf einem GaAs-Prozess basieren, die beste Wahl. Alle Kondensatoren und Induktoren, die Sie zur Anpassung verwenden, haben eine gewisse Eigenresonanzfrequenz; stellen Sie sicher, dass Sie passive Komponenten mit ausreichend hoher Eigenresonanzfrequenz wählen, wenn Sie einen dieser Schaltkreise bauen.

Bei Mikrowellenfrequenzen liegen Ihre Signalwellenlängen in der Größenordnung von cm (z.B. 6 cm im freien Raum bei 5 GHz), sodass Sie wahrscheinlich Impedanzfehlanpassungen tolerieren können, wenn Ihre Leiterbahnen zwischen den Komponenten kurz genug sind. Bei mmWave-Frequenzen ist es viel wahrscheinlicher, dass jede Leiterbahn wie eine lange Übertragungsleitung wirkt, selbst wenn Sie Ihre Komponenten in Ihrem benutzerdefinierten RF-Verstärker so nah wie möglich anordnen. Wenn es eine Fehlanpassung zwischen den Komponenten gibt, können sich stehende Wellen entlang einer Leiterbahn bilden, entweder bei der gewünschten Grundfrequenz oder bei einer oder mehreren höheren Harmonischen. Wenn dies passiert, beginnen Ihre Leiterbahnen wie Antennen zu wirken und strahlen stark ab.

In dieser Situation wird eine Übertragungsleitungsarchitektur wie koplanare Wellenleiter aufgrund des benötigten Platzes für Kupfer auf der Oberflächenschicht schwer umzusetzen sein, und Sie müssen den Verstärkerteil der Platine isolieren, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Befolgen Sie die besten Praktiken für die Trennung von digitalen und analogen Massebereichen in Ihrer Masseebene unter der Oberflächenschicht. Bei mehrlagigen Platinen mit hoher Lagenanzahl empfiehlt Rick Hartley (siehe Folie 55 in dieser älteren Präsentation), Masseebenen auf jeder zweiten Lage zu platzieren, um ausreichende Abschirmung und Isolation zwischen den Signallagen zu bieten. Sie sollten auch einen Kupferüberzug um verschiedene RF-Bereiche legen und diesen mit Vias erden.

Beachten Sie die Vias, die auf der Oberflächenschicht verteilt sind

Stellen Sie sicher, dass Sie einige bewährte Praktiken bezüglich des Abstands und der Größe der Vias sowie der Dicke des Kupferüberzugs befolgen, um die niedrigste Resonanzfrequenz über die RF-Frequenz, mit der Sie arbeiten, zu verschieben. Um einige Kopfschmerzen mit Via-Stummelresonanz und Backdrilling während der Herstellung zu vermeiden, könnten Sie einfach Durchgangsvias verwenden, um Ihren Kupferüberzug zu erden. In den extremsten Fällen können Sie eine Abschirmungsdose verwenden, um RF-Bereiche zu isolieren.

Die Impedanzanpassung von HF-Verstärkern kann besonders bei Leistungsverstärkern, die entschieden nichtlinear sind, eine schwierige Angelegenheit sein. Die Layout-, Simulations- und Signalintegritätsanalyse-Funktionen in Altium Designer können Ihnen helfen, die besten Schaltungsdesign- und Layout-Optionen für Ihre HF-Verstärkerschaltungen zu bestimmen und die Impedanz auf Ihrer Platine zu kontrollieren.

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