Adaptation d'impédance des amplificateurs de puissance RF aux fréquences micro-ondes et mmWave

Selon MarketWatch, le marché global des amplificateurs RF devrait dépasser les 27 milliards de dollars d'ici 2023. Alors, où tous ces amplificateurs RF sont-ils censés être utilisés ? Vous pouvez remercier la 5G et l'expansion des réseaux cellulaires en général pour une bonne partie de la croissance attendue. Pour les concepteurs de PCB, l'adaptation d'impédance des amplificateurs RF devient un point de conception important, surtout avec les amplificateurs de haute puissance.

Adaptation d'impédance pour amplificateurs RF à grand signal

Les spécialistes de l'intégrité de puissance RF sont probablement familiers avec le besoin de bons régulateurs de tension dans les appareils mobiles afin de supprimer les signaux transitoires à travers la sortie d'un amplificateur, surtout lorsqu'il s'agit d'amplificateurs RF à puissance pulsée. Les spécialistes de l'intégrité du signal qui peuvent maintenant commencer à travailler avec la conception RF sont probablement habitués à travailler avec les paramètres S à faibles niveaux de signal lors de l'analyse de leurs circuits RF et de la détermination de l'adaptation d'impédance appropriée. L'utilisation des paramètres S n'est pas appropriée dans la conception d'amplificateurs RF de classe AB et classe C car ces amplificateurs fonctionnent intrinsèquement dans le régime non linéaire.

En termes de transfert de puissance à faibles niveaux de signal (c'est-à-dire, dans le régime linéaire), le transfert de puissance maximal est assuré lorsque l'impédance de charge est adaptée au conjugué complexe de l'impédance de sortie de l'amplificateur. Cependant, un amplificateur de puissance (normalement placé dans la section d'émission RF) pourrait fournir un gain et une efficacité plus élevés à la puissance de sortie nominale s'il existe un désaccord d'impédance intentionnel.

Lorsqu'il fonctionne à une puissance de sortie élevée, l'adéquation/désaccord de l'impédance de sortie de l'amplificateur/impédance de charge qui produit le transfert de puissance maximal vers la charge peut ne pas coïncider avec l'adéquation/désaccord qui produit l'efficacité maximale à la fréquence souhaitée (ceci est certainement vrai pour les composants résistifs). Alors, comment pouvez-vous déterminer l'impédance adaptée correcte à la charge pour vous assurer d'obtenir les meilleures performances ? Étant donné que l'impédance vue par la source dépend des niveaux de puissance d'entrée et de sortie de l'amplificateur, vous devrez utiliser l'analyse de tirage de charge pour déterminer l'impédance appropriée vue par la sortie de l'amplificateur. Vous devez ensuite adapter l'impédance de la charge à cette valeur.

Il existe une manière plutôt simple de réaliser une analyse de tirage de charge avec un simulateur et un diagramme de Smith. L'idée est d'itérer à travers un grand nombre de valeurs d'impédance de charge (souvenez-vous, l'impédance est la somme de la résistance et de la réactance) à une puissance d'entrée spécifique. Vous sondez ensuite le courant/sortie de tension pour chaque combinaison de résistance de charge et de réactance, ce qui vous permet également de calculer le gain et l'efficacité. Vous tracez ensuite les contours de puissance de sortie en fonction de l'impédance de charge à la puissance d'entrée particulière.

Cela est montré dans le diagramme de Smith ci-dessous : chaque contour montre l'ensemble des valeurs de résistance et de réactance qui produisent une puissance de sortie spécifique (vert) et une efficacité (bleu). Le contour rouge montre la région où ces deux ensembles de courbes se chevauchent. Vous pouvez alors déterminer le compromis entre la puissance de sortie et l'efficacité pour des puissances de sortie spécifiques où les contours se croisent. Notez qu'à une puissance d'entrée différente, vous générerez un ensemble différent de contours.

Exemple de diagramme de Smith avec les résultats de l'analyse de tirage de charge pour l'adaptation d'impédance d'un amplificateur RF [Source]

La combinaison de la réactance et de la résistance que vous déterminez à partir des résultats de load-pull vous indiquera quel réseau d'adaptation vous devriez utiliser pour régler l'impédance de charge. Vous pouvez ensuite vérifier cela avec des mesures d'analyseur de réseau vectoriel avec un coupon de test. Faites attention au comportement de votre réseau d'adaptation à haute fréquence ; en plus de l'auto-résonance (voir ci-dessous), la bande passante de votre réseau d'adaptation peut créer certains problèmes pour le radar FMCW à balayage de fréquence. Notez qu'à 77 GHz, la plage de balayage peut atteindre 4 GHz, donc votre bande passante devrait être relativement plate de 73 à 81 GHz.

Amplificateur RF à partir de CI et de composants discrets

Si le CI souhaité ne répond pas à vos besoins et que vous devez concevoir un amplificateur personnalisé à partir de composants discrets, vous aurez plus de difficultés à des fréquences RF pour plusieurs raisons. En plus de la réponse non linéaire de ces amplificateurs à haute puissance, la disposition réelle peut créer des problèmes d'intégrité du signal en raison de désadaptations d'impédance entre les composants. En raison des caractéristiques d'impédance de différents composants, vous ne pourrez peut-être pas adapter l'impédance dans tout le design de l'amplificateur. Cela est dû aux longueurs d'onde très courtes des fréquences mmWave (voir ci-dessous).

Avant d'aborder certains points de conception, examinons la sélection des composants. Les composants basés sur le GaN sont les meilleurs pour les domaines émergents de la conception RF où les fréquences s'étendent de 10 à 100 GHz (par exemple, la 5G ou d'autres applications en ondes millimétriques). À des fréquences GHz plus basses, les composants basés sur un processus GaAs sont le meilleur choix. Tous les condensateurs et inducteurs que vous utilisez pour l'adaptation auront une certaine fréquence de résonance propre ; assurez-vous de choisir des composants passifs avec une fréquence de résonance propre suffisamment élevée lors de la construction de l'un de ces circuits.

Aux fréquences micro-ondes, les longueurs d'onde de votre signal sont de l'ordre du cm (par exemple, 6 cm dans l'espace libre à 5 GHz), donc vous pouvez probablement vous permettre des désadaptations d'impédance lorsque vos pistes entre les composants sont suffisamment courtes. Aux fréquences mmWave, il est beaucoup plus probable que chaque piste agira comme une longue ligne de transmission, même si vous disposez vos composants dans votre amplificateur RF personnalisé aussi près que possible. S'il y a une inadéquation entre les composants, des ondes stationnaires peuvent se former le long d'une piste, soit à la fréquence fondamentale souhaitée, soit à une ou plusieurs harmoniques d'ordre supérieur. Lorsque cela se produit, vos pistes commencent à agir comme des antennes et rayonneront fortement.

Dans cette situation, une architecture de ligne de transmission comme les guides d'ondes coplanaires sera difficile à mettre en œuvre en raison de l'espace nécessaire pour le cuivre sur la couche de surface, et vous devrez isoler la partie amplificateur de votre carte pour garantir l'intégrité du signal. Suivez les meilleures pratiques pour séparer les sections de masse numérique et analogique dans votre plan de masse sous la couche de surface. Dans les cartes multicouches avec un nombre élevé de couches, Rick Hartley (voir la diapositive 55 dans cette présentation plus ancienne) recommande de placer des plans de masse sur chaque autre couche pour fournir un blindage et une isolation suffisants entre les couches de signal. Vous devriez également placer une coulée de cuivre autour des différentes sections RF et la mettre à la terre avec des vias.

Remarquez les vias dispersés sur la couche de surface

Assurez-vous de suivre certaines meilleures pratiques concernant l'espacement des vias et le dimensionnement de l'épaisseur de la coulée de cuivre pour décaler la fréquence de résonance d'ordre le plus bas au-dessus de la fréquence RF avec laquelle vous travaillez. Pour éviter des maux de tête avec la résonance des stubs de via et le perçage arrière pendant la fabrication, vous pourriez simplement utiliser des vias traversants pour mettre à la terre votre coulée de cuivre. Dans les cas les plus extrêmes, vous pouvez utiliser une boîte de blindage pour isoler les sections RF.

L'adaptation d'impédance des amplificateurs RF peut être une perspective difficile, en particulier avec les amplificateurs de puissance qui sont résolument non linéaires. Les fonctionnalités de mise en page, de simulation et d'analyse de l'intégrité du signal dans Altium Designer peuvent vous aider à déterminer les meilleurs choix de conception de circuit et de mise en page pour vos circuits d'amplificateurs RF et à contrôler l'impédance sur votre carte.

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