Diseño de PCB para Módulo de Amplificador de Potencia RF

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Los amplificadores de potencia RF se pueden encontrar en cualquier producto inalámbrico, a menudo integrados en chipsets o módems. Sin embargo, en algunos sistemas especializados, podría necesitarse una salida de potencia más alta a una frecuencia específica, y esto requiere un circuito amplificador discreto para proporcionar esa potencia. Estos sistemas pueden tomar un oscilador externo y amplificarlo para proporcionar una señal de alta potencia, o se puede usar un oscilador local para generar la señal requerida que se alimentará al amplificador.

En este proyecto de ejemplo, voy a mostrar cómo diseñar un módulo amplificador de potencia que opera en el rango de 6 GHz con una salida de potencia alta (por encima de aproximadamente 10 dB). El módulo que mostraré aquí proporciona una salida de potencia alta al amplificar la señal con una ganancia de +13 dB, y la señal se pasa a un conector SMA. ¡El módulo está diseñado para ser completamente autónomo; simplemente aplique energía y obtendrá una señal de alta frecuencia en el puerto de salida!

Mira la lista de reproducción a continuación para aprender más sobre el diseño y la disposición de amplificadores de potencia para sistemas que operan en el rango de 6 GHz.

Nuestro Módulo PCB de Amplificador de Potencia

El componente de amplificador de potencia que utilizaremos en este ejemplo es el HMC637ALP5E de Hittite Microwave (ahora Analog Devices). Esta pieza tiene niveles de ganancia y saturación muy altos (en términos de punto IP3 y compresión de -1 dB), así como baja pérdida de retorno y requisitos de diseño simples. El diseño está en un paquete QFN, pero la mayoría de los pines son de tierra o NC.

La fuente de señal en este diseño será un oscilador controlado por voltaje (VCO). Estos componentes también son muy simples de trabajar en esquemáticos y circuitos. Para un diseño de PCB, requieren algunas consideraciones importantes sobre control de impedancia y aislamiento, pero la salida puede alimentarse directamente al amplificador de potencia. Dado el nivel de salida de potencia de este VCO, el amplificador estará operando muy sólidamente en el rango lineal, por lo que esperaríamos una generación mínima de armónicos.

Además, tendremos dos circuitos de potencia importantes y algunos componentes auxiliares:

• Un regulador de potencia del sistema de 12V a 5V (TPS562201DDCR)
• Un regulador de doble riel para proporcionar los voltajes de puerta (LM27762DSSR)

Circuito de Amplificador de Potencia

El amplificador de potencia en este módulo de ejemplo requiere dos voltajes de puerta y un voltaje de drenaje primario para la alimentación. El rango de respuesta es muy amplio, desde DC hasta aproximadamente 6 GHz. El rango de respuesta del amplificador de potencia se indica como máximo de 6 GHz en la hoja de datos, pero si observas todos los gráficos desde la página 2 hasta la 3 en la hoja de datos, verás que la respuesta es consistente hasta aproximadamente 8 GHz. Por lo tanto, es muy probable que podamos operar ligeramente por encima de 6 GHz y el sistema funcionará bien.

El circuito del amplificador de potencia en los esquemáticos se muestra a continuación. Tenemos acoplamiento AC en las líneas RFIN y RFOUT como se especifica en las hojas de datos de nuestros componentes.

Los voltajes de puerta que se aplican al amplificador se proporcionan a través de un conjunto de encabezados de pines en el PCB. La idea aquí es poder desconectar uno de los encabezados y conectar a una fuente de alimentación externa de banco si es necesario. Esto también permite que la secuencia de encendido del amplificador se aplique manualmente. Consulta la página de la hoja de datos HMC637ALP5E para el procedimiento de encendido.

VCO, Respuesta del Amplificador y su Voltaje de Ajuste

El VCO en esta placa es el número de parte HMC358MS8GE. Este componente tiene un uso muy simple y la salida puede ajustarse con un voltaje de sintonización DC aplicado en el pin VTUNE. La salida varía de 5.8 GHz a 6.8 GHz. A continuación, se muestra el circuito VCO.

La conexión de alimentación de 3 V a este VCO en el pin VTUNE hace que el oscilador produzca una señal de 6.3 GHz en el pin de salida. Cabe destacar que, según la hoja de datos HMC637ALP5E, podemos esperar una respuesta consistente del amplificador a 6.3 GHz a pesar del límite declarado de 6 GHz. Por lo tanto, en la revisión inicial de este diseño, nos quedaremos con la conexión directa de 3V a VTUNE. Al final del artículo, he esbozado algunas formas en que el voltaje de sintonización podría hacerse ajustable.

Divisor de Sesgo

La alimentación VDD se suministra al amplificador de potencia usando un circuito divisor de sesgo. Un divisor de sesgo que solo utiliza un único capacitor e inductor puede diseñarse fácilmente para cumplir con dos requisitos:

• Habrá una capacitancia mínima requerida para pasar la señal de AC
• Habrá una relación de impedancia entre la ruta de DC y la ruta de AC que determina el nivel de aislamiento en la fuente de DC
• La inductancia necesitará ser mayor cuando se requiera una mayor impedancia de aislamiento en el lado de DC

El circuito de bias tee que he utilizado se muestra a continuación.

A la salida del VCO de 6.3 GHz, este bias tee tendrá una relación de impedancia de aproximadamente 43:1. En el pasado, he utilizado otro amplificador de potencia con un bias tee que puede funcionar perfectamente con una relación de impedancia tan baja como 1:1. Sin embargo, dado que este bias tee se conecta de nuevo a un conector de pines, me preocuparía que parte de la señal irradiara fuertemente desde uno de los pines. Por lo tanto, si tu objetivo es la máxima transferencia de potencia hacia la carga, podrías encontrar que el capacitor necesita ser disminuido o el inductor necesita ser aumentado, pero esto puede alterar el ancho de banda de paso del bias tee. El ancho de banda/paso de banda del bias tee debe ser verificado para el bloqueo de DC y la entrega de potencia en la frecuencia de operación del amplificador.

He cubierto los detalles específicos del diseño de un bias tee en un artículo diferente, en este artículo cubro las simulaciones de este bias tee y muestro la entrega de potencia con el bias tee actual, así como un bias tee optimizado que proporciona la máxima entrega de potencia a una carga de 50 Ohm.

Apilamiento y Diseño de PCB

Esta placa se colocará en un apilamiento de 4 capas con enrutamiento coplanar para las líneas RF. Usar un apilamiento de 4 capas me permite poner tierra debajo de la capa superficial. Esta placa tendrá todos los componentes requeridos colocados en la capa superior del PCB, así como el enrutamiento de interconexión RF. La capa inferior se puede utilizar para el enrutamiento de las líneas de alimentación, y las capas internas serán GND. Este tipo de apilamiento y enrutamiento asegurará la máxima aislación entre la sección RF y la sección del regulador de potencia a través de la reducción de parásitos.

El sistema de materiales que se está utilizando aquí es un FR4 de baja Dk; nombres de marcas de ejemplo que podrían cumplir con esta especificación son Isola 370HR o ITEQ. Cabe señalar que para este tipo de diseño, donde la longitud de interconexión es algo corta, no habrá pérdidas excesivas y no necesitamos un material de baja pérdida como Rogers.

El diseño de PCB para este módulo requiere una segmentación entre los circuitos de potencia y los circuitos RF. En particular, el principal regulador de conmutación de 12V a 5V ocupará una cantidad decente de espacio. Con el pequeño tamaño de la placa, cualquier elemento de conmutación debe mantenerse alejado de las líneas RF en el plan inicial para esta placa. Las regiones iniciales donde aplicaré la colocación se muestran a continuación.

El plano de planta anterior hace tres cosas:

• Al aprovechar la tierra en L2, tenemos un excelente control del ruido alrededor de los reguladores de potencia
• Deja suficiente espacio alrededor de las líneas RF y los componentes para los cabezales de pin
• Deja un camino en línea recta desde el VCO hasta el amplificador y el conector de salida SMA (J1)

La colocación y el diseño para los circuitos del regulador de potencia son elementales, así que no lo repetiré en este artículo. Puedes leer más sobre las mejores prácticas para el diseño de la fuente de alimentación y diseño del regulador de conmutación en este enlace.

La sección de enrutamiento RF se muestra a continuación. El perfil de impedancia mostrado en el apilado anterior se utilizó como la regla de diseño para las redes RF; esta configuración se describe en el video vinculado arriba. Añadí blindaje a las redes RF para que la señal de 6 GHz pueda contenerse a lo largo del interconector con mínima fuga. El espaciado entre estos vias es un poco agresivo; el espaciado de pared de agujero a pared de agujero es de solo 12 mil, lo cual está cerca del mínimo típico de 8 o 10 mil que normalmente sería especificado por una casa de fabricación.

El diseño finalizado se muestra a continuación. Se añadieron vias de cosido con corte de alta frecuencia para prevenir que el ruido de conmutación resuene en la capa superior. Finalmente, añadí algo de serigrafía con logotipos e indicadores de voltaje en los encabezados de pines para asistir en el procedimiento de encendido.

Cómo Mejorar Este Diseño

Este diseño opera a una frecuencia fija siendo salida a un amplificador de banda ancha. Si quisiéramos, podríamos modificar el diseño para incluir un voltaje de salida ajustable implementando la capacidad de ajustar el voltaje en el pin VTUNE. Algunas otras mejoras podrían ser apropiadas después de las pruebas. Hay varias opciones:

1. Si es necesario, el inductor del bias tee podría ser reemplazado por un valor 10x-100x mayor para aumentar la relación de impedancia en la salida, pero tenga cuidado con el efecto en el ancho de banda deseado.
2. Utilice un potenciómetro en un divisor de voltaje a través del pin VTUNE.
3. Utilice un DAC o un regulador ajustable para ajustar el voltaje en el pin VTUNE; esto requeriría un pin adicional para un módulo MCU externo (como nuestro módulo nRF52).
4. Agregue un pin para que se pueda usar una fuente de voltaje externa para la sintonización.
5. Considere agregar un cono de entrada/salida en los pads más grandes en C6 y los conectores SMA para transiciones suaves; en los SMA podría haber una ligera incompatibilidad que requeriría un cono para compensar.
6. Continuando con el punto #5, realice una simulación para el CPW con la cerca de vías para asegurar que se alcance el objetivo de impedancia.
7. Aunque los SMA funcionarán con un pequeño espacio hasta los pines inferiores, engrosar la placa es preferible; un fabricante podría proporcionar un apilado que lo logre.

Esto podría ser muy útil si, por ejemplo, quisieras llevar la señal de salida de vuelta a la frecuencia máxima nominal del amplificador de potencia de 6 GHz. Como mencioné anteriormente, también podrías simplemente conectar a tierra el pin VTUNE para fijar permanentemente la salida del VCO en 5.8 GHz.

Finalmente, para acceder a una antena, podríamos añadir una antena de parche en la capa trasera y añadir una conexión acoplada por sonda a la antena a través de un vía. Sería bastante simple colocar un vía a una antena de parche alimentada por sonda en el lado trasero de la placa. Sin embargo, debido al enrutamiento de potencia en la capa trasera, la manera más fácil de lograr esto es cambiar el apilado a un PCB de 6 capas.

Sigue este enlace para descargar un archivo ZIP con los archivos fuente del proyecto. También puedes usar el enlace de descarga en el incrustado anterior para acceder a los archivos fuente.

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