RF-Leistungsverstärkermodul PCB-Design

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RF-Leistungsverstärker finden sich in jedem drahtlosen Produkt, oft in Chipsätzen oder Modems integriert. In einigen Spezialsystemen benötigen Sie jedoch eine höhere Leistungsabgabe bei einer spezifischen Frequenz, und dies erfordert eine diskrete Verstärkerschaltung, um diese Leistung zu liefern. Diese Systeme können einen externen Oszillator nehmen und ihn verstärken, um ein Hochleistungssignal zu liefern, oder ein lokaler Oszillator kann verwendet werden, um das erforderliche Signal zu erzeugen, das in den Verstärker eingespeist wird.

In diesem Beispielprojekt werde ich zeigen, wie man ein Leistungsverstärkermodul entwirft, das im 6-GHz-Bereich mit hoher Leistungsabgabe (über etwa 10 dB) arbeitet. Das Modul, das ich hier zeige, bietet eine hohe Leistungsabgabe, indem das Signal mit +13 dB Verstärkung verstärkt wird, und das Signal wird an einen SMA-Stecker weitergeleitet. Das Modul ist so konzipiert, dass es vollständig eigenständig ist; einfach Strom anlegen und Sie erhalten ein Hochfrequenzsignal am Ausgangsport!

Sehen Sie sich die untenstehende Playlist an, um mehr über das Design und Layout von Leistungsverstärkern für Systeme im 6-GHz-Bereich zu erfahren.

Unser Leistungsverstärker-PCB-Modul

Die Leistungsverstärkerkomponente, die wir in diesem Beispiel verwenden werden, ist der HMC637ALP5E von Hittite Microwave (jetzt Analog Devices). Dieses Bauteil hat sehr hohe Verstärkungs- und Sättigungsniveaus (bezogen auf den IP3-Punkt und die -1 dB-Kompression), sowie geringe Rückflussverluste und einfache Layoutanforderungen. Das Design ist in einem QFN-Gehäuse, aber die meisten Pins sind Masse oder NC.

Die Signalquelle in diesem Design wird ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) sein. Diese Komponenten sind ebenfalls sehr einfach in Schaltplänen und Schaltkreisen zu handhaben. Für ein PCB-Layout erfordern sie jedoch einige wichtige Überlegungen bezüglich der Impedanzkontrolle und Isolation, aber der Ausgang kann direkt an den Leistungsverstärker geführt werden. Angesichts der Leistungsabgabe dieses VCO wird der Verstärker sehr solide im linearen Bereich arbeiten, sodass wir eine minimale Harmonikgeneration erwarten würden.

Zusätzlich werden wir zwei wichtige Stromkreise und einige Hilfskomponenten haben:

• Ein 12V zu 5V Systemleistungsregler (TPS562201DDCR)
• Ein Dual-Rail-Regler zur Bereitstellung der Gate-Spannungen (LM27762DSSR)

Leistungsverstärkerschaltung

Der Leistungsverstärker in diesem Beispielmodul benötigt zwei Gate-Spannungen und eine primäre Drain-Spannung für die Leistung. Der Antwortbereich ist sehr breit, von Gleichstrom bis etwa 6 GHz. Der Antwortbereich des Leistungsverstärkers wird im Datenblatt mit maximal 6 GHz angegeben, aber wenn Sie sich alle Diagramme von Seite 2 bis 3 im Datenblatt ansehen, werden Sie feststellen, dass die Antwort durchgehend bis etwa 8 GHz konsistent ist. Daher können wir höchstwahrscheinlich etwas über 6 GHz hinausgehen und das System wird einwandfrei funktionieren.

Der Schaltkreis des Leistungsverstärkers im Schaltplan ist unten dargestellt. Wir haben eine AC-Kopplung an den RFIN- und RFOUT-Leitungen, wie in den Datenblättern für unsere Komponenten angegeben.

Die an den Verstärker angelegten Gate-Spannungen werden über eine Reihe von Stiftleisten auf der PCB bereitgestellt. Die Idee hier ist, eine der Leisten trennen zu können und bei Bedarf an ein externes Labornetzteil anzuschließen. Dies ermöglicht auch, die Einschaltsequenz für den Verstärker manuell anzuwenden. Siehe Seite des HMC637ALP5E-Datenblatts für das Einschaltverfahren.

VCO, Verstärkerantwort und seine Abstimmspannung

Der VCO auf dieser Platine hat die Teilenummer HMC358MS8GE. Dieses Bauteil ist sehr einfach zu verwenden, und der Ausgang kann mit einer am VTUNE-Pin angelegten DC-Abstimmspannung eingestellt werden. Der Ausgangsbereich liegt zwischen 5,8 GHz und 6,8 GHz. Der VCO-Schaltkreis ist unten dargestellt.

Die 3-V-Stromverbindung zu diesem VCO am VTUNE-Pin veranlasst den Oszillator, ein 6,3-GHz-Signal am Ausgangspin zu erzeugen. Beachten Sie, dass aus dem Datenblatt HMC637ALP5E hervorgeht, dass wir trotz der angegebenen Grenzfrequenz von 6 GHz eine konsistente Reaktion des Verstärkers bei 6,3 GHz erwarten können. Daher werden wir in der ersten Revision dieses Designs bei der direkten 3V-Verbindung zu VTUNE bleiben. Am Ende des Artikels habe ich einige Möglichkeiten skizziert, wie die Abstimmspannung einstellbar gemacht werden könnte.

Bias Tee

Die VDD-Leistung wird dem Leistungsverstärker mit einer Bias-Tee-Schaltung zugeführt. Ein Bias Tee, der nur einen einzigen Kondensator und Induktor verwendet, kann leicht entworfen werden, um zwei Anforderungen zu erfüllen:

• Es wird eine gewisse Mindestkapazität benötigt, um das AC-Signal zu übertragen
• Es wird ein bestimmtes Impedanzverhältnis zwischen dem DC-Pfad und dem AC-Pfad geben, das das Niveau der Isolation an der DC-Quelle bestimmt
• Die Induktivität muss größer sein, wenn eine höhere Isolationsimpedanz auf der DC-Seite erforderlich ist

Die Bias-Tee-Schaltung, die ich verwendet habe, ist unten dargestellt.

Bei einem VCO-Ausgang von 6,3 GHz wird dieses Bias-Tee ein Impedanzverhältnis von ungefähr 43:1 haben. In der Vergangenheit habe ich einen anderen Leistungsverstärker mit einem Bias-Tee verwendet, der auch mit einem so niedrigen Impedanzverhältnis wie 1:1 einwandfrei funktionieren kann. Da dieses Bias-Tee jedoch zurück zu einem Stiftleistenanschluss führt, würde ich mir Sorgen machen, dass ein Teil des Signals stark von einem der Stifte abstrahlt. Daher, wenn Ihr Ziel die maximale Leistungsübertragung zur Last ist, könnten Sie feststellen, dass der Kondensator verringert oder die Induktivität erhöht werden muss, aber dies könnte den Durchlassbereich des Bias-Tees verändern. Die Bandbreite/den Durchlassbereich des Bias-Tees sollte auf DC-Blockierung und Leistungslieferung bei der Betriebsfrequenz des Verstärkers überprüft werden.

Ich habe die Einzelheiten des Bias-Tee-Designs in einem anderen Artikel behandelt, in diesem Artikel beschäftige ich mich mit Simulationen dieses Bias-Tees und zeige die Stromversorgung mit dem aktuellen Bias-Tee sowie ein optimiertes Bias-Tee, das eine maximale Leistungsabgabe an eine 50-Ohm-Last bietet.

Stackup und PCB-Layout

Diese Platine wird auf einem 4-Lagen-Stackup mit koplanarer Verlegung für die HF-Leitungen platziert. Die Verwendung eines 4-Lagen-Stackups ermöglicht es mir, unter der Oberflächenschicht eine Masse zu platzieren. Diese Platine wird alle erforderlichen Komponenten auf der obersten Schicht des PCBs haben, sowie die HF-Verbindungsverlegung. Die untere Schicht kann für die Verlegung von Stromschienen verwendet werden, und die inneren Schichten werden GND sein. Diese Art von Stackup und Verlegung wird eine maximale Isolation zwischen dem HF-Bereich und dem Bereich des Spannungsreglers durch parasitäre Reduktion gewährleisten.

Das hier verwendete Materialsystem ist ein FR4 mit niedrigem Dk; Beispielmarken, die diese Spezifikation erfüllen könnten, sind Isola 370HR oder ITEQ. Beachten Sie, dass bei dieser Art von Design, bei dem die Verbindungslänge etwas kurz ist, keine übermäßigen Verluste auftreten werden und wir kein Material mit geringen Verlusten wie Rogers benötigen.

Das PCB-Layout für dieses Modul erfordert eine Segmentierung zwischen den Stromkreisen und den RF-Kreisen. Insbesondere wird der Haupt-12V zu 5V Schaltregler einen ansehnlichen Platz einnehmen. Bei der kleinen Platinengröße sollten alle Schaltelemente in der ersten Bodenplanung für diese Platine von den RF-Leitungen ferngehalten werden. Die anfänglichen Bereiche, auf die ich die Platzierung anwenden werde, sind unten dargestellt.

Der oben gezeigte Grundriss macht drei Dinge:

• Indem wir den Boden auf L2 nutzen, haben wir eine ausgezeichnete Geräuschkontrolle um die Spannungsregler
• Es lässt genug Raum um die RF-Leitungen und die Komponenten für die Stiftleisten
• Es lässt einen geraden Weg vom VCO zum Verstärker und zum Ausgangs-SMA-Stecker (J1)

Die Platzierung und das Layout für die Stromreglerkreise sind elementar, daher werde ich dies in diesem Artikel nicht wiederholen. Sie können mehr über die besten Praktiken für das Layout von Stromversorgungen und Schaltregler-Layout unter diesem Link lesen.

Der Abschnitt zur RF-Verlegung ist unten dargestellt. Das im Stackup oben gezeigte Impedanzprofil wurde als Designregel für die RF-Leitungen verwendet; diese Einstellung wird im oben verlinkten Video erläutert. Ich habe den RF-Leitungen Abschirmungen hinzugefügt, damit das 6-GHz-Signal entlang der Verbindung mit minimaler Leckage enthalten sein kann. Der Abstand zwischen diesen Vias ist ein wenig aggressiv; der Wand-zu-Wand-Abstand der Löcher beträgt nur 12 mil, was nahe am typischen Minimum von 8 oder 10 mil liegt, das normalerweise von einem Fertigungsbetrieb angegeben würde.

Das fertige Layout wird unten gezeigt. Stitching-Vias wurden mit einer Hochfrequenzabschneidefrequenz hinzugefügt, um zu verhindern, dass Schaltrauschen in der obersten Schicht resoniert. Schließlich habe ich einige Siebdrucke mit Logos und Spannungsindikatoren an den Stiftleisten hinzugefügt, um beim Einschaltvorgang zu helfen.

Wie man dieses Design verbessern kann

Dieses Design arbeitet mit einer festen Frequenz, die in einen Breitbandverstärker ausgegeben wird. Wenn wir wollten, könnten wir das Design so ändern, dass es eine einstellbare Ausgangsspannung durch die Implementierung der Möglichkeit zur Anpassung der Spannung am VTUNE-Pin enthält. Einige andere Verbesserungen könnten nach dem Testen angebracht sein. Es gibt mehrere Optionen:

1. Falls nötig, könnte der Induktor des Bias-Tees gegen einen 10x-100x größeren Wert ausgetauscht werden, um das Impedanzverhältnis am Ausgang zu erhöhen, aber achten Sie auf die Auswirkung auf die gewünschte Bandbreite.
2. Verwenden Sie ein Potentiometer in einem Spannungsteiler am VTUNE-Pin.
3. Verwenden Sie einen DAC oder einen einstellbaren Regler, um die Spannung am VTUNE-Pin anzupassen; dies würde einen zusätzlichen Pin-Header zu einem externen MCU-Modul erfordern (wie unser nRF52-Modul).
4. Fügen Sie einen Pin-Header hinzu, sodass eine externe Spannungsquelle zur Abstimmung verwendet werden könnte.
5. Erwägen Sie, einen Übergang in/aus größeren Pads bei C6 und den SMA-Steckverbindern für sanfte Übergänge hinzuzufügen; bei den SMAs könnte es eine leichte Unstimmigkeit geben, die einen Übergang erfordern würde, um zu kompensieren.
6. In Fortführung von Punkt #5, führen Sie eine Simulation für die CPW mit dem Via-Zaun durch, um sicherzustellen, dass das Impedanzziel erreicht wird.
7. Obwohl die SMAs mit einem kleinen Abstand zu den unteren Pins funktionieren werden, ist es vorzuziehen, das Board zu verdicken; ein Hersteller könnte einen Stackup bereitstellen, der dies ermöglicht.

Das könnte sehr nützlich sein, wenn Sie beispielsweise das Ausgangssignal zurück in die maximale Frequenzbewertung des Leistungsverstärkers von 6 GHz bringen möchten. Wie ich oben erwähnt habe, könnten Sie auch einfach den VTUNE-Pin erden, um die Ausgabe des VCO dauerhaft auf 5,8 GHz einzustellen.

Schließlich, um eine Antenne anzuschließen, könnten wir eine Patch-Antenne auf der Rückseite hinzufügen und eine Sonden-gekoppelte Verbindung zur Antenne durch eine Durchkontaktierung herstellen. Es wäre ziemlich einfach, eine Durchkontaktierung zu einer sondengespeisten Patch-Antenne auf der Rückseite der Platine zu platzieren. Aufgrund der Stromführung auf der Rückseite ist der einfachste Weg, dies zu erreichen, jedoch, den Stackup auf eine 6-Lagen-PCB zu ändern.

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