Adaptación de Impedancia de Amplificadores de Potencia RF en Frecuencias de Microondas y mmWave

Zachariah Peterson
|  Creado: Septiembre 25, 2019  |  Actualizado: Septiembre 25, 2020

MOSFET transistor for RF amplifier impedance matching

Según MarketWatch, se espera que el mercado total de amplificadores RF supere los $27 mil millones para el 2023. Entonces, ¿dónde se espera que se utilicen todos estos amplificadores RF? Puedes agradecer a 5G y la expansión de las redes celulares en general por una buena parte del crecimiento esperado. Para los diseñadores de PCBs, la coincidencia de impedancia del amplificador RF se convierte en un punto de diseño importante, especialmente con amplificadores de alta potencia.

Emparejamiento de Impedancia de Amplificadores RF de Señal Grande

Las personas encargadas de la integridad de potencia RF probablemente estén familiarizadas con la necesidad de buenos reguladores de voltaje en dispositivos móviles para suprimir señales transitorias a través de la salida de un amplificador, especialmente cuando se trata de amplificadores de potencia RF pulsados. Aquellos especialistas en integridad de señal que ahora pueden comenzar a trabajar con diseño RF probablemente estén acostumbrados a trabajar con parámetros S a niveles de señal bajos al analizar sus circuitos RF y determinar el emparejamiento de impedancia apropiado. El uso de parámetros S no es apropiado en el diseño de amplificadores RF Clase AB y Clase C ya que estos amplificadores operan inherentemente en el régimen no lineal.

En términos de transferencia de potencia a niveles de señal bajos (es decir, en el régimen lineal), la transferencia máxima de potencia se asegura cuando la impedancia de carga coincide con el conjugado complejo de la impedancia de salida del amplificador. Sin embargo, un amplificador de potencia (normalmente colocado en la sección de transmisión RF) podría proporcionar mayor ganancia y eficiencia a la potencia de salida nominal si existe una desadaptación intencional de impedancia.

Cuando se opera a alta potencia de salida, la coincidencia/desajuste de la impedancia de salida del amplificador/impedancia de carga que produce la transferencia máxima de potencia a la carga puede no coincidir con la coincidencia/desajuste que produce la máxima eficiencia en la frecuencia deseada (esto es ciertamente cierto para componentes resistivos). Entonces, ¿cómo puedes determinar la impedancia de carga adecuada para asegurarte de ver el mejor rendimiento? Dado que la impedancia vista por la fuente depende de los niveles de potencia de entrada y salida del amplificador, necesitarás usar análisis de extracción de carga para determinar la impedancia apropiada vista por la salida del amplificador. Luego necesitas hacer coincidir la impedancia de la carga con este valor.

Existe una manera bastante simple de realizar un análisis de carga con un simulador y un diagrama de Smith. La idea es iterar a través de un gran número de valores de impedancia de carga (recuerda, la impedancia es la suma de la resistencia y la reactancia) a una potencia de entrada específica. Luego, sondeas la corriente/salida de voltaje para cada combinación de resistencia de carga y reactancia, lo que te permite también calcular la ganancia y la eficiencia. Luego, trazas los contornos de potencia de salida como función de la impedancia de carga en la potencia de entrada particular.

Esto se muestra en el diagrama de Smith a continuación: cada contorno muestra el conjunto de valores de resistencia y reactancia que producen una potencia de salida específica (verde) y eficiencia (azul). El contorno rojo muestra la región donde estos dos conjuntos de curvas se superponen. Entonces puedes determinar el compromiso entre la potencia de salida y la eficiencia para potencias de salida específicas donde los contornos se intersectan. Ten en cuenta que, con una potencia de entrada diferente, generarás un conjunto diferente de contornos.

Smith chart for RF amplifier impedance matching

Ejemplo de Diagrama de Smith con resultados del análisis de carga para la adaptación de impedancia del amplificador RF [Fuente]

La combinación de reactancia y resistencia que determinas a partir de los resultados de carga-pull te indicará qué red de adaptación debes usar para configurar la impedancia de carga. Luego puedes verificar esto con mediciones de analizador de redes vectoriales con un cupón de prueba. Presta atención al comportamiento de tu red de adaptación a altas frecuencias; además de la auto-resonancia (ver más abajo), el ancho de banda de tu red de adaptación puede crear algunos problemas para radar chirp FMCW. Ten en cuenta que, a 77 GHz, el rango de chirp puede alcanzar 4 GHz, por lo que tu ancho de banda debería ser relativamente plano de 73 a 81 GHz.

Amplificador RF a partir de ICs y Componentes Discretos

Si tu IC deseado no cumple con tus necesidades y debes diseñar un amplificador personalizado a partir de componentes discretos, tendrás más dificultades a frecuencias RF por varias razones. Además de la respuesta no lineal de estos amplificadores a alta potencia, el diseño real puede crear problemas de integridad de señal debido a desajustes de impedancia entre componentes. Debido a las características de impedancia de diferentes componentes, es posible que no puedas igualar la impedancia a lo largo del diseño del amplificador. Esto se debe a las longitudes de onda muy cortas de las frecuencias mmWave (ver más abajo).

Antes de adentrarnos en algunos puntos sobre el diseño de la disposición, veamos la selección de componentes. Los componentes basados en GaN son los mejores para áreas emergentes de diseño RF donde las frecuencias abarcan de 10 a 100 GHz (por ejemplo, 5G u otras aplicaciones de ondas milimétricas). En frecuencias de GHz más bajas, los componentes basados en un proceso GaAs son la mejor opción. Cualquier capacitor e inductor que utilices para el emparejamiento tendrá alguna frecuencia de auto-resonancia; asegúrate de elegir componentes pasivos con una frecuencia de auto-resonancia suficientemente alta al construir uno de estos circuitos.

A frecuencias de microondas, las longitudes de onda de tu señal son del orden de cm (por ejemplo, 6 cm en el espacio libre a 5 GHz), por lo que probablemente puedas tolerar desajustes de impedancia cuando tus trazas entre componentes sean lo suficientemente cortas. A frecuencias de ondas milimétricas, es mucho más probable que cada traza actúe como una línea de transmisión larga, incluso si colocas tus componentes en tu amplificador RF personalizado lo más cerca posible. Si hay un desajuste entre componentes, pueden formarse ondas estacionarias a lo largo de una traza, ya sea en la frecuencia fundamental deseada o en una o más armónicas de orden superior. Cuando esto sucede, tus trazas comienzan a actuar como antenas y radiarán fuertemente.

En esta situación, una arquitectura de línea de transmisión como las guías de onda coplanares será difícil de implementar debido al espacio requerido para el cobre en la capa superficial, y necesitarás aislar la sección de tu amplificador en la placa para asegurar la integridad de la señal. Sigue las mejores prácticas para separar las secciones de tierra digital y analógica en tu plano de tierra debajo de la capa superficial. En placas multicapa con un alto número de capas, Rick Hartley (ver diapositiva 55 en esta presentación antigua) recomienda colocar planos de tierra en cada segunda capa para proporcionar suficiente blindaje y aislamiento entre las capas de señal. También debes colocar un vertido de cobre alrededor de varias secciones de RF y conectarlo a tierra con vías.

Ground pour for RF amplifier impedance matching

Observa las vías dispersas en la capa superficial

Asegúrate de seguir algunas de las mejores prácticas con el espaciado de las vías y el dimensionamiento del grosor del vertido de cobre para desplazar la frecuencia de resonancia de orden más bajo por encima de la frecuencia de RF con la que estás trabajando. Para ahorrarte algunos dolores de cabeza con la resonancia de los stubs de vía y el taladrado posterior durante la fabricación, podrías simplemente usar vías pasantes para conectar a tierra tu vertido de cobre. En los casos más extremos, puedes usar una lata de blindaje para aislar las secciones de RF.

La adaptación de impedancia en amplificadores RF puede ser una perspectiva difícil, especialmente con amplificadores de potencia que son decididamente no lineales. Las características de diseño, simulación y análisis de integridad de señal en Altium Designer pueden ayudarte a determinar las mejores opciones de diseño de circuitos y disposición para tus circuitos de amplificadores RF y controlar la impedancia en tu placa.

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Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson tiene una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Actualmente brinda servicios de investigación, diseño y marketing a empresas de la industria electrónica. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland y realizó investigaciones sobre la teoría, los materiales y la estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas de láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sensores ambientales y estocástica. Su trabajo ha sido publicado en más de una docena de revistas revisadas por pares y actas de congresos, y ha escrito más de 1000 blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Es miembro de IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society y Printed Circuit Engineering Association (PCEA), y anteriormente se desempeñó en el Comité Asesor Técnico de Computación Cuántica de INCITS.

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