Conception de PCB pour module d'amplificateur de puissance RF

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Les amplificateurs de puissance RF se trouvent dans tout produit sans fil, souvent intégrés dans des chipsets ou des modems. Cependant, dans certains systèmes spécialisés, vous pourriez avoir besoin d'une sortie de puissance plus élevée à une fréquence spécifique, et cela nécessite un circuit d'amplificateur discret pour fournir cette puissance. Ces systèmes peuvent prendre un oscillateur externe et l'amplifier pour fournir un signal de haute puissance, ou un oscillateur local peut être utilisé pour générer le signal requis qui sera alimenté dans l'amplificateur.

Dans cet exemple de projet, je vais montrer comment concevoir un module d'amplificateur de puissance qui fonctionne dans la gamme des 6 GHz avec une sortie de puissance élevée (au-dessus d'environ 10 dB). Le module que je vais montrer ici fournit une sortie de puissance élevée en amplifiant le signal avec un gain de +13 dB, et le signal est transmis à un connecteur SMA. Le module est conçu pour être entièrement autonome ; il suffit d'appliquer de l'énergie et vous obtenez un signal haute fréquence au port de sortie !

Regardez la playlist ci-dessous pour en savoir plus sur la conception et la disposition des amplificateurs de puissance pour les systèmes fonctionnant dans la gamme des 6 GHz.

Notre Module PCB d'Amplificateur de Puissance

Le composant d'amplificateur de puissance que nous utiliserons dans cet exemple est le HMC637ALP5E de Hittite Microwave (maintenant Analog Devices). Cette pièce présente un gain très élevé et des niveaux de saturation (en termes de point IP3 et de compression à -1 dB), ainsi qu'une faible perte de retour et des exigences de disposition simples. La conception est dans un boîtier QFN, mais la plupart des broches sont à la terre ou NC.

La source de signal dans cette conception sera un oscillateur commandé en tension (VCO). Ces composants sont également très simples à manipuler dans les schémas et les circuits. Pour un agencement de PCB, ils nécessitent toutefois quelques considérations importantes sur le contrôle de l'impédance et l'isolation, mais la sortie peut être directement alimentée à l'amplificateur de puissance. Étant donné la sortie de puissance de ce VCO, l'amplificateur fonctionnera très solidement dans la plage linéaire, donc nous nous attendrions à une génération harmonique minimale.

De plus, nous aurons deux circuits de puissance importants et quelques composants auxiliaires :

• Un régulateur de puissance système de 12V à 5V (TPS562201DDCR)
• Un régulateur à double rail pour fournir les tensions de grille (LM27762DSSR)

Circuit d'Ampli de Puissance

L'amplificateur de puissance dans cet exemple de module nécessite deux tensions de grille et une tension de drain principale pour l'alimentation. La plage de réponse est très large, de DC à environ 6 GHz. La plage de réponse de l'amplificateur de puissance est indiquée comme étant de 6 GHz maximum dans la fiche technique, mais si vous regardez tous les graphiques de la page 2 à 3 dans la fiche technique, vous verrez que la réponse est constante jusqu'à environ 8 GHz. Par conséquent, nous pouvons très probablement fonctionner légèrement au-dessus de 6 GHz et le système fonctionnera bien.

Le circuit de l'amplificateur de puissance dans les schémas est montré ci-dessous. Nous avons un couplage AC sur les lignes RFIN et RFOUT comme spécifié dans les fiches techniques de nos composants.

Les tensions de grille appliquées à l'amplificateur sont fournies par un ensemble de connecteurs à broches sur le PCB. L'idée ici est de pouvoir déconnecter l'un des connecteurs et se connecter à une alimentation externe de laboratoire si nécessaire. Cela permet également d'appliquer manuellement la séquence de mise sous tension de l'amplificateur. Voir la page de la fiche technique HMC637ALP5E pour la procédure de mise sous tension.

VCO, Réponse de l'Amplificateur, et sa Tension de Réglage

Le VCO sur cette carte est la référence HMC358MS8GE. Ce composant est très simple d'utilisation et la sortie peut être ajustée avec une tension de réglage DC appliquée sur la broche VTUNE. La plage de sortie va de 5,8 GHz à 6,8 GHz. Le circuit VCO est montré ci-dessous.

La connexion d'alimentation de 3 V à ce VCO sur la broche VTUNE provoque la production d'un signal de 6,3 GHz à la broche de sortie. Notez que, d'après la fiche technique HMC637ALP5E, nous pouvons nous attendre à une réponse constante de l'amplificateur à 6,3 GHz malgré la limite annoncée de 6 GHz. Par conséquent, dans la première révision de ce design, nous nous en tiendrons à la connexion directe de 3V à VTUNE. À la fin de l'article, j'ai décrit quelques façons dont la tension de réglage pourrait être rendue ajustable.

Bias Tee

L'alimentation VDD est donnée à l'amplificateur de puissance à l'aide d'un circuit de bias tee. Un bias tee qui n'utilise qu'un seul condensateur et inducteur peut être facilement conçu pour répondre à deux exigences :

• Il y aura une certaine capacité minimale requise pour transmettre le signal AC
• Il y aura un certain rapport d'impédance entre le chemin DC et le chemin AC qui détermine le niveau d'isolation sur la source DC
• L'inductance devra être plus grande lorsque une impédance d'isolation plus élevée est requise du côté DC

Le circuit de couplage en biais que j'ai utilisé est montré ci-dessous.

À la sortie du VCO de 6,3 GHz, ce couplage en biais aura un rapport d'impédance d'environ 43:1. Dans le passé, j'ai utilisé un autre amplificateur de puissance avec un couplage en biais qui peut fonctionner très bien avec un rapport d'impédance aussi bas que 1:1. Cependant, parce que ce couplage en biais se connecte à un connecteur à broches, je m'inquiéterais de voir certains des signaux rayonner fortement à partir de l'une des broches. Par conséquent, si votre objectif est le transfert de puissance maximal vers la charge, vous pourriez trouver que le condensateur doit être diminué ou l'inducteur doit être augmenté, mais cela peut modifier la bande passante du couplage en biais. La bande passante/la bande passante du couplage en biais devrait être vérifiée pour le blocage DC et la livraison de puissance à la fréquence de fonctionnement de l'amplificateur.

J'ai abordé les spécificités de la conception de coupleur à polarisation dans un autre article, dans cet article, je couvre les simulations de ce coupleur à polarisation et montre la livraison de puissance avec le coupleur à polarisation actuel, ainsi qu'un coupleur à polarisation optimisé qui fournit une livraison de puissance maximale à une charge de 50 Ohms.

Empilement et agencement du PCB

Cette carte sera placée sur un empilement à 4 couches avec un routage coplanaire pour les lignes RF. Utiliser un empilement à 4 couches me permet de mettre la masse en dessous de la couche de surface. Cette carte aura tous les composants nécessaires placés sur la couche supérieure du PCB, ainsi que le routage d'interconnexion RF. La couche inférieure peut être utilisée pour le routage des rails d'alimentation, et les couches internes seront la masse. Ce type d'empilement et de routage assurera une isolation maximale entre la section RF et la section du régulateur de puissance grâce à la réduction parasitaire.

Le système de matériaux utilisé ici est un FR4 à faible Dk; des exemples de marques qui pourraient répondre à cette spécification sont Isola 370HR ou ITEQ. Notez que pour ce type de conception, où la longueur d'interconnexion est relativement courte, il n'y aura pas de pertes excessives et nous n'avons pas besoin d'un matériel à faible perte comme Rogers.

La disposition PCB pour ce module nécessite une segmentation entre les circuits de puissance et les circuits RF. En particulier, le principal régulateur de commutation de 12V à 5V occupera une place conséquente. Avec la petite taille du circuit imprimé, tous les éléments de commutation doivent être éloignés des lignes RF dans le plan d'implantation initial de ce circuit. Les régions initiales où j'appliquerai le placement sont indiquées ci-dessous.

Le plan d'implantation ci-dessus fait trois choses :

• En tirant parti de la masse sur L2, nous avons un excellent contrôle du bruit autour des régulateurs de puissance
• Il laisse suffisamment d'espace autour des lignes RF et des composants pour les connecteurs à broches
• Il laisse un chemin en ligne droite du VCO à l'amplificateur et au connecteur de sortie SMA (J1)

Le placement et la disposition pour les circuits de régulateurs de puissance sont élémentaires, donc je ne les répéterai pas dans cet article. Vous pouvez en savoir plus sur les meilleures pratiques pour la disposition de l'alimentation et la disposition du régulateur de commutation à ce lien.

La section de routage RF est présentée ci-dessous. Le profil d'impédance montré dans l'empilement ci-dessus a été utilisé comme règle de conception pour les réseaux RF ; ce paramètre est décrit dans la vidéo liée ci-dessus. J'ai ajouté un blindage aux réseaux RF afin que le signal de 6 GHz puisse être contenu le long de l'interconnexion avec une fuite minimale. L'espacement entre ces vias est un peu agressif ; l'espacement de paroi de trou à paroi de trou n'est que de 12 mil, ce qui est proche du minimum typique de 8 ou 10 mil qui serait généralement spécifié par une maison de fabrication.

La disposition finale est présentée ci-dessous. Des vias de couture ont été ajoutés avec une coupure haute fréquence pour empêcher le bruit de commutation de résonner dans la couche supérieure. Enfin, j'ai ajouté un peu de sérigraphie avec des logos et des indicateurs de tension sur les en-têtes de broches pour aider dans la procédure de mise sous tension.

Comment améliorer ce design

Ce design fonctionne à une fréquence fixe étant sortie dans un amplificateur large bande. Si nous le voulions, nous pourrions modifier le design pour inclure une tension de sortie réglable en implémentant la capacité d'ajuster la tension au niveau de la broche VTUNE. D'autres améliorations pourraient être appropriées après les tests. Il y a plusieurs options :

1. Si nécessaire, l'inductance du bias tee pourrait être remplacée par une valeur 10x à 100x plus grande pour augmenter le rapport d'impédance à la sortie, mais faites attention à l'effet sur la bande passante désirée.
2. Utilisez un potentiomètre dans un diviseur de tension sur la broche VTUNE.
3. Utilisez un DAC ou un régulateur ajustable pour ajuster la tension sur la broche VTUNE ; cela nécessiterait un connecteur additionnel vers un module MCU externe (comme notre module nRF52).
4. Ajoutez un connecteur pour qu'une source de tension externe puisse être utilisée pour l'accord.
5. Envisagez d'ajouter un évasement à l'entrée/sortie des pads plus larges sur C6 et les connecteurs SMA pour des transitions douces ; sur les SMA, il pourrait y avoir un léger désajustement qui nécessiterait un évasement pour compenser.
6. Poursuivant sur le point #5, effectuez une simulation pour le CPW avec la clôture de via pour s'assurer que l'objectif d'impédance est atteint.
7. Bien que les SMA fonctionneront avec un petit écart jusqu'aux broches inférieures, épaissir la carte est préférable ; un fabricant pourrait fournir un empilement qui le permettra.

Cela pourrait être très utile si, par exemple, vous vouliez ramener le signal de sortie à la fréquence maximale nominale de l'amplificateur de puissance de 6 GHz. Comme je l'ai mentionné ci-dessus, vous pourriez également simplement connecter à la terre la broche VTUNE pour fixer de manière permanente la sortie du VCO à 5,8 GHz.

Enfin, pour accéder à une antenne, nous pourrions ajouter une antenne patch sur la couche arrière et ajouter une connexion couplée par sonde à l'antenne via un trou métallisé. Il serait assez simple de placer un trou métallisé vers une antenne patch alimentée par sonde sur le côté arrière du circuit imprimé. Cependant, en raison du routage de puissance sur la couche arrière, la manière la plus simple de réaliser cela est de changer la structure pour un PCB à 6 couches.

Suivez ce lien pour télécharger une archive ZIP contenant les fichiers sources du projet. Vous pouvez également utiliser le lien de téléchargement dans l'encart ci-dessus pour accéder aux fichiers sources.

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