Come progettare un Bias Tee per un amplificatore di potenza

I tee di polarizzazione RF vengono utilizzati per separare l'alimentazione DC e AC lungo un'interconnessione. Si tratta di un dispositivo a 2 ingressi e 1 uscita che utilizza elementi reattivi per fornire un flusso di potenza in direzioni diverse. In un progetto precedente con un layout di amplificatore di potenza RF, è presente un tee di polarizzazione nel design che viene utilizzato per fornire alimentazione DC all'amplificatore consentendo allo stesso tempo alla potenza RF di propagarsi verso il connettore di uscita SMA.

In questo articolo, delineerò come progettare questo circuito e quali sono i parametri importanti per garantire una propagazione di alta potenza nel componente del carico. Questi dispositivi sono disponibili sia come moduli ad alta potenza per trasmissioni a lungo raggio, ma possono essere costruiti come piccoli circuiti su un PCB per sistemi RF a bassa potenza.

Cos'è un Bias Tee?

Un bias tee è un circuito semplice che utilizza un induttore e un condensatore per dirigere il flusso di potenza AC e DC. Il tipo più semplice di bias tee è un dispositivo a 2 ingressi; un induttore è utilizzato per far passare la potenza DC da una porta di ingresso, e un condensatore è utilizzato per far passare la potenza AC all'uscita. Nell'esempio precedente con il nostro amplificatore di potenza RF, un bias tee è stato utilizzato per fornire energia all'amplificatore, mentre allo stesso tempo passava la potenza di uscita RF dallo stesso pin. Il circuito che è stato utilizzato precedentemente è mostrato di seguito.

Il concetto è semplice; l'impedenza induttiva dell'induttore blocca il segnale AC, mentre il condensatore blocca il segnale DC dal passare al carico in questo sistema. Il segnale DC è semplicemente l'energia fornita al pin VDD, che alimenterà l'amplificatore, e il circuito interno dell'amplificatore indirizzerà la potenza di ingresso nel modo richiesto.

Rapporto di Impedenza in un Bias Tee Semplice

I bias tee sono progettati in modo tale da cercare di raggiungere un particolare rapporto di impedenza. Il rapporto di impedenza in un bias tee si riferisce al rapporto tra l'impedenza lungo il percorso DC e l'impedenza vista dal segnale mentre viaggia lungo il percorso di uscita. Questo rapporto di impedenza deve essere incluso nella progettazione del bias tee secondo i seguenti obiettivi di design:

L'impedenza osservata dal porto DC dovrebbe essere molto maggiore dell'impedenza osservata dall'uscita RF
La caduta di impedenza equivalente attraverso il bias tee (misurata da RFOUT al lato di uscita del condensatore) deve corrispondere all'impedenza della linea di trasmissione LO_OUT

Quindi, abbiamo due definizioni importanti che possiamo utilizzare per calcolare il rapporto di impedenza:

I valori nelle due equazioni sopra sono le reattanze dell'induttore (L) e del condensatore (C) alla frequenza di funzionamento del circuito. Un valore tipico per il rapporto di impedenza potrebbe variare da n = 1 a n = 1000. L'impedenza del bias tee Z(tee) sarà abbinata all'impedenza della linea di trasmissione, normalmente 50 Ohm su un PCB. Avendo due equazioni e due incognite, possiamo facilmente risolvere per queste reattanze.

I valori sopra sono i valori minimi richiesti per convergere a un adattamento di impedenza. Se usiamo la definizione di reattanza capacitiva e induttiva nell'equazione sopra, abbiamo la seguente relazione tra la frequenza operativa target e la capacità:

Questa relazione ci dice che possiamo spostare la banda passante per il bias tee regolando C per un rapporto di impedenza target mantenendo costante il valore dell'induttore L. Possiamo anche usare la stessa relazione ma con L al posto di C sul lato destro dell'equazione.

Ad esempio, se prendessimo i valori sopra e aumentassimo la capacità di un fattore N, la frequenza operativa dove ci aspetteremmo di vedere la massima consegna di potenza al carico dovrebbe diminuire di un fattore √N per mantenere lo stesso rapporto di impedenza. Questo potrebbe modificare l'adattamento di impedenza all'uscita; anche se potremmo avere qualche riflessione e disadattamento di impedenza, il bias tee sta spostando la sua banda passante in modo tale che la potenza del carico possa essere aumentata.

Calcolatore LC Bias Tee

Puoi utilizzare l'applicazione calcolatrice qui sotto per determinare i valori di L e C da usare in un bias tee. Questo richiede che il progettista inserisca un rapporto di impedenza desiderato e un'impedenza target. La frequenza indicata qui è la frequenza prevista in cui vediamo il massimo nella banda passante del bias tee.

Filtraggio di Ordine Superiore

```Cosa succederebbe se posizionassimo una sezione di filtro più complessa sul lato DC? Anche questo è possibile con il posizionamento di un circuito di filtro. La fase DC mostrata sopra potrebbe avere una fase di filtro più complessa tra il porto di alimentazione in ingresso e il punto di diramazione sulla rete di uscita RF. Ad esempio, potremmo posizionare un filtro passa-basso bidirezionale di ordine superiore tra il porto DC in ingresso e il punto di diramazione.

Questo potrebbe sembrare qualcosa come il circuito qui sotto. Qui ho posizionato circuiti RL paralleli come elementi di filtraggio che limitano essenzialmente la corrente alle frequenze più alte provenienti dall'alimentatore. Se cercate in internet, vedrete altri esempi di circuiti RLC utilizzati come filtri passa-basso lungo il collegamento DC.

In questo circuito, l'impedenza dell'induttore + la fase di filtro RF è dimensionata per colpire un particolare rapporto di impedenza rispetto alla linea da 50 Ohm e all'obiettivo del rapporto di impedenza. È anche comune vedere un condensatore che esce dal terminale VDD. Perché vorremmo adottare questo approccio per la fase di filtro? Ci sono tre possibili motivi:

• Poiché si tratta di un filtro di ordine superiore, ci sarà una pendenza di attenuazione più ripida alle alte frequenze
• Basandosi sul punto precedente, la sezione del filtro potrebbe filtrare il rumore proveniente dalla fonte DC
• Il tee potrebbe avere un rapporto di impedenza costantemente alto su una banda passante più ampia

Nell'esempio sopra, un filtro di ordine superiore viene utilizzato sul porto di ingresso DC. La principale sfida in questo caso è che la topologia del filtro di blocco potrebbe avere una certa ondulazione nella banda passante come funzione della frequenza, e di conseguenza l'impedenza del tee potrebbe avere anche essa una certa ondulazione nella banda passante. Pertanto, è importante simulare il funzionamento della sezione del filtro, che può essere fatto in una simulazione SPICE.

Esempio: Simulazione SPICE Con Bias Tee LC

In questa sezione, mostrerò alcuni risultati di simulazione per il più semplice bias tee LC mostrato negli schemi sopra per il nostro progetto di modulo amplificatore di potenza. Come originariamente progettato, il bias tee mostrato sopra funzionerà come previsto con operazione a banda larga, e l'adattamento di impedenza sarà quasi esattamente 50 Ohm. Tuttavia, non è ottimizzato per la consegna di potenza a un carico di 50 Ohm a causa dell'azione di filtraggio del bias tee dovuta all'alto rapporto di impedenza.

Lo schema sottostante mostra il circuito iniziale che verrà utilizzato per simulare il bias tee.

Per questa simulazione, esamineremo una simulazione AC per il tee, dove siamo interessati alla tensione di uscita, alla corrente verso il lato RF e alla potenza fornita a RLOAD. Vogliamo anche sapere qual è l'impedenza osservata attraverso l'ingresso RF. Idealmente, questa dovrebbe essere il più vicino possibile a 50 Ohm. I risultati AC iniziali sono mostrati di seguito.

Questa simulazione iniziale rivela alcuni risultati piuttosto buoni. La banda passante è molto ampia per questo bias tee, e l'adattamento dell'impedenza appare estremamente preciso fino alla frequenza operativa del circuito di 6,3 GHz. Anche se l'impedenza target sembra essere stata raggiunta, non vediamo la massima consegna di potenza al carico alla frequenza desiderata. Questo è perché 6,3 GHz è nella caduta della banda passante.

Supponiamo ora di impostare il rapporto di impedenza a 1:1 per questo circuito. Ciò richiederebbe un induttore da 1,2 nH e un condensatore da 0,5 pF. I risultati con questa configurazione di simulazione aggiornata sono mostrati di seguito.

Da qui vediamo che la banda passante si è spostata verso frequenze più alte, ma non otteniamo necessariamente più potenza dal tee che viene consegnata a RLOAD. Vediamo anche che l'impedenza non converge verso il target fino a una frequenza molto più alta (circa 10 GHz). Quindi, non abbiamo ancora raggiunto un design perfetto.

Infine, vediamo cosa succede se aumentiamo i parametri a L = 6 nH e C = 1 pF (uguale a un rapporto di impedenza di 3.14 a circa 6.45 GHz). In questo caso, otteniamo un abbinamento molto migliore all'impedenza target, anche se la potenza consegnata al carico è leggermente inferiore. Anche se la banda passante si è spostata molto più in alto, l'impedenza che questo circuito sta mirando a 6.45 GHz è di circa 77.4 Ohm, potrebbe spiegare la minore consegna di potenza in questo circuito.

Una variazione dei parametri potrebbe aiutare a determinare il miglior equilibrio tra L e C entro un certo intervallo. L'altra simulazione che potremmo eseguire è una simulazione di analisi transitoria. Questo ci dirà cosa succede al tee quando il circuito viene inizialmente portato alla sua potenza operativa. Prova a farlo da solo poiché è abbastanza semplice e dovrebbe illustrare le potenziali insidie dell'uso di filtri di ordine superiore sul lato DC del circuito.

C'è qualcosa che non va in questa immagine? Come si scopre, c'è! In particolare, ci sono due punti che non sono considerati in questa simulazione:

1. Alle frequenze GHz in cui questo sistema opererà, il condensatore e l'induttore potrebbero avere delle parassite (ESR/ESL sul condensatore e EPC sull'induttore)
2. Il bias tee supporta la propagazione delle onde, quindi le connessioni tra i componenti sono in realtà linee di trasmissione.

Basandosi sul punto #2, e sull'idea che l'uscita da un amplificatore potrebbe essere internamente terminata a 50 Ohm, l'impedenza del bias tee è talvolta impostata molto bassa. Questo potrebbe andare bene finché il tee è posizionato molto vicino al pin di uscita sull'amplificatore di potenza. Tuttavia, è molto più preferibile utilizzare l'adattamento dell'impedenza in tutto l'interconnesso per cercare di massimizzare il trasferimento di potenza nel carico.

Le simulazioni SPICE non sono molto efficaci nel simulare la propagazione sulle linee di trasmissione tra i componenti e fuori dal bias tee. Pertanto, la simulazione SPICE mostrata sopra utilizza un carico da 50 Ohm per rappresentare l'impedenza di ingresso guardando nel carico nel nostro esempio di modulo amplificatore di potenza. Se avessimo una situazione in cui il carico è posizionato vicino all'uscita del bias tee, allora possiamo certamente adottare l'approccio circuitale che viene idealizzato nell'esempio di simulazione SPICE mostrato qui.

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