Cómo diseñar un Tee de polarización para un amplificador de potencia

Los tees de polarización RF se utilizan para separar la potencia de CC y CA a lo largo de una interconexión. Es un dispositivo de 2 entradas y 1 salida que utiliza elementos reactivos para proporcionar un flujo de potencia en diferentes direcciones. En un proyecto anterior con un diseño de amplificador de potencia RF, hay un tee de polarización en el diseño que se utiliza para proporcionar energía de CC al amplificador mientras también permite que la potencia RF se propague hacia el conector SMA de salida.

En este artículo, describiré cómo diseñar este circuito y cuáles son los parámetros importantes para asegurar una alta propagación de potencia en su componente de carga. Estos dispositivos están disponibles tanto como módulos de alta potencia para transmisiones de largo alcance, pero también pueden construirse como circuitos pequeños en un PCB para sistemas RF de baja potencia.

¿Qué es un Bias Tee?

Un tee de polarización es un circuito simple que utiliza un inductor y un capacitor para dirigir el flujo de energía AC y DC. El tipo más simple de tee de polarización es un dispositivo de 2 entradas; un inductor se utiliza para pasar energía DC desde un puerto de entrada, y un capacitor se utiliza para pasar energía AC a la salida. En el ejemplo anterior con nuestro amplificador de potencia RF, se utilizó un tee de polarización para proporcionar energía al amplificador, mientras también se pasaba la potencia de salida RF desde el mismo pin. El circuito que se utilizó anteriormente se muestra a continuación.

El concepto es simple; la impedancia inductiva del inductor bloquea la señal AC, mientras que el capacitor bloquea la señal DC de pasar a la carga en este sistema. La señal DC es simplemente la energía que se proporciona al pin VDD, que alimentará el amplificador, y la circuitería interna del amplificador dirigirá la energía de entrada de la manera requerida.

Relación de Impedancia en un Tee de Polarización Simple

Los divisores de polarización están diseñados de tal manera que intentamos alcanzar una relación de impedancia particular. La relación de impedancia en un divisor de polarización se refiere a la relación entre la impedancia a lo largo del camino de CC y la impedancia que ve la señal mientras viaja a lo largo del camino de salida. Esta relación de impedancia necesita ser incluida en el diseño del divisor de polarización bajo los siguientes objetivos de diseño:

La impedancia mirando hacia el puerto de CC debería ser mucho mayor que la impedancia mirando hacia la salida de RF
La caída de impedancia equivalente a través del divisor de polarización (medida desde RFOUT hasta el lado de salida del capacitor) necesita coincidir con la línea de transmisión LO_OUT

Por lo tanto, tenemos dos definiciones importantes que podemos usar para calcular la relación de impedancia:

Los valores en las dos ecuaciones anteriores son las reactancias del inductor (L) y el capacitor (C) en la frecuencia de operación del circuito. Un valor típico para la relación de impedancia podría variar desde n = 1 hasta n = 1000. La impedancia del divisor de polarización Z(tee) será igualada a la impedancia de la línea de transmisión, normalmente 50 Ohms en un PCB. Tenemos dos ecuaciones y dos incógnitas, así que podemos resolver fácilmente estas reactancias.

Los valores anteriores son los valores mínimos requeridos para converger a una coincidencia de impedancia. Si usamos la definición de reactancia capacitiva e inductiva en la ecuación anterior, tenemos la siguiente relación entre la frecuencia de operación objetivo y la capacitancia:

Esta relación nos indica que podemos desplazar la banda de paso para el bias tee ajustando C para una relación de impedancia objetivo mientras mantenemos constante el valor del inductor L. También podemos usar la misma relación pero con L en el lado derecho de la ecuación en lugar de C.

Por ejemplo, si tomáramos los valores anteriores y aumentáramos la capacitancia por un factor N, la frecuencia de operación donde esperaríamos ver la máxima entrega de potencia a la carga tendría que disminuir por un factor √N para mantener la misma relación de impedancia. Esto podría modificar la coincidencia de impedancia en la salida; aunque podríamos tener alguna reflexión y desajuste de impedancia, el bias tee está desplazando su banda de paso de tal manera que la potencia de carga puede aumentarse.

Calculadora de Bias Tee LC

Puede utilizar la aplicación de calculadora a continuación para determinar los valores de L y C para usar en un tee de polarización. Esto requiere que el diseñador introduzca una relación de impedancia deseada y una impedancia objetivo. La frecuencia dada aquí es la frecuencia esperada donde vemos el máximo en la banda pasante del tee de polarización.

Filtrado de Orden Superior

¿Qué pasaría si colocáramos una sección de filtro más compleja en el lado de CC? Esto también es posible con la colocación de un circuito de filtro. La etapa de CC mostrada arriba podría tener una etapa de filtro más compleja entre el puerto de alimentación de entrada y el punto de bifurcación en la red de salida de RF. Por ejemplo, podríamos colocar un filtro de paso bajo bidireccional de orden superior entre el puerto de CC de entrada y el punto de bifurcación.

Esto se vería algo así como el circuito de abajo. Aquí he colocado circuitos RL en paralelo como elementos de filtrado que esencialmente limitan la corriente a frecuencias más altas provenientes de la fuente de alimentación. Si buscas en internet, verás otros ejemplos de circuitos RLC utilizados como filtros de paso bajo a lo largo de la conexión de CC.

En este circuito, la impedancia del inductor + la etapa de filtro de RF está dimensionada para alcanzar una relación de impedancia particular con respecto a la línea de 50 Ohm y el objetivo de la relación de impedancia. También es común ver un capacitor saliendo del terminal VDD. ¿Por qué querríamos tomar este enfoque para la etapa de filtro? Hay tres razones posibles:

• Debido a que es un filtro de orden superior, habrá una caída más pronunciada en las altas frecuencias
• Basado en el punto anterior, la sección del filtro podría filtrar el ruido procedente de la fuente de CC
• El tee podría tener una relación de impedancia consistentemente alta en un ancho de banda de paso más amplio

En el ejemplo anterior, se está utilizando un filtro de orden superior en el puerto de entrada de CC. El principal desafío con esto es que la topología del filtro de bloqueo podría tener cierto ripple en el ancho de banda de paso como función de la frecuencia, y como resultado, la impedancia del tee también podría tener algún ripple en el ancho de banda de paso. Por lo tanto, es importante simular la operación de la sección del filtro, lo cual se puede hacer en una simulación SPICE.

Ejemplo: Simulación SPICE Con Bias Tee LC

En esta sección, mostraré algunos resultados de simulación para el bias tee LC más simple mostrado en los esquemáticos anteriores para nuestro proyecto de módulo de amplificador de potencia. Tal como fue diseñado originalmente, el bias tee mostrado arriba operará según lo previsto con una operación de banda ancha, y la adaptación de impedancia será casi exactamente de 50 Ohmios. Sin embargo, no está optimizado para la entrega de potencia a una carga de 50 Ohmios debido a la acción de filtrado del bias tee debido a la alta relación de impedancia.

El esquemático a continuación muestra el circuito inicial que se utilizará para simular el bias tee.

Para esta simulación, observaremos una simulación de CA para el tee, donde nos interesa el voltaje de salida, la corriente hacia el lado de RF y la potencia entregada a RLOAD. También queremos saber cuál es la impedancia mirando a través de la entrada de RF. Idealmente, esto debería estar lo más cerca posible de 50 Ohmios. Los resultados iniciales de CA se muestran a continuación.

Esta simulación inicial revela algunos resultados bastante buenos. El ancho de banda de paso es muy amplio para este bias tee, y la coincidencia de impedancia parece extremadamente precisa justo hasta la frecuencia de operación del circuito de 6.3 GHz. Aunque parece que se ha alcanzado la impedancia objetivo, no vemos la entrega máxima de potencia a la carga en la frecuencia deseada. Esto se debe a que 6.3 GHz está en el rolloff para el ancho de banda de paso.

Supongamos ahora que establecemos la relación de impedancia en 1:1 para este circuito. Esto requeriría un inductor de 1.2 nH y un capacitor de 0.5 pF. Los resultados con esta configuración de simulación actualizada se muestran a continuación.

Desde aquí vemos que la banda pasante se ha movido a frecuencias más altas, pero no necesariamente obtenemos más potencia del tee siendo entregada a RLOAD. También vemos que la impedancia no converge al objetivo hasta una frecuencia mucho más alta (alrededor de 10 GHz). Así que todavía no hemos convergido en un diseño perfecto.

Finalmente, veamos qué sucede si aumentamos los parámetros a L = 6 nH y C = 1 pF (igual a una relación de impedancia de 3.14 a unos 6.45 GHz). En este caso, obtenemos una mejor coincidencia con la impedancia objetivo, aunque la potencia entregada a la carga es algo menor. Aunque la banda pasante se ha movido mucho más alto, la impedancia que este circuito está apuntando a 6.45 GHz es de aproximadamente 77.4 Ohms, podría explicar la menor entrega de potencia en este circuito.

Un barrido de parámetros podría ayudar a determinar el mejor equilibrio entre L y C dentro de algún rango. La otra simulación que podríamos realizar es una simulación de análisis transitorio. Esto nos dirá qué le sucede al tee a medida que el circuito se pone en marcha hasta alcanzar su potencia operativa. Intenta hacer esto tú mismo ya que es bastante simple, y debería ilustrar las posibles trampas de usar un filtrado de orden superior en el lado de CC del circuito.

¿Hay algo mal con esta imagen? Resulta que sí lo hay. En particular, hay dos puntos que no se consideran en esta simulación:

1. A las frecuencias de GHz en las que operará este sistema, el capacitor y el inductor podrían tener algunas parasitarias (ESR/ESL en el capacitor y EPC en el inductor)
2. El tee de polarización está soportando la propagación de ondas, por lo que las conexiones entre componentes son en realidad líneas de transmisión.

Basándose en el punto #2, y la idea de que la salida de un amplificador podría estar internamente terminada a 50 Ohms, la impedancia del tee de polarización a veces se establece muy baja. Esto podría estar bien siempre y cuando el tee se coloque muy cerca del pin de salida en el amplificador de potencia. Sin embargo, es mucho más preferible usar la adaptación de impedancia a lo largo de la interconexión para intentar maximizar la transferencia de potencia a la carga.

Las simulaciones SPICE no son muy buenas simulando la propagación en líneas de transmisión entre componentes y fuera del tee de polarización. Por lo tanto, la simulación SPICE mostrada arriba utiliza una carga de 50 Ohmios para representar la impedancia de entrada mirando hacia la carga en nuestro ejemplo de módulo amplificador de potencia. Si tuviéramos una situación donde la carga se coloca cerca de la salida del tee de polarización, entonces ciertamente podemos tomar el enfoque de circuito que está siendo idealizado en el ejemplo de simulación SPICE mostrado aquí.

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