Adattamento dell'impedenza dell'amplificatore di potenza RF alle frequenze a microonde e mmWave

Secondo MarketWatch, si prevede che il mercato complessivo degli amplificatori RF supererà i 27 miliardi di dollari entro il 2023. Quindi, dove si prevede che verranno utilizzati tutti questi amplificatori RF? Si può ringraziare il 5G e l'espansione delle reti cellulari in generale per una buona parte della crescita prevista. Per i progettisti di PCB là fuori, l'adattamento dell'impedenza degli amplificatori RF diventa un punto di progettazione importante, specialmente con amplificatori di alta potenza.

Adattamento dell'Impedenza per Amplificatori RF a Segnale Grande

Gli esperti di integrità della potenza RF probabilmente conoscono la necessità di buoni regolatori di tensione nei dispositivi mobili per sopprimere i segnali transitori attraverso l'uscita di un amplificatore, specialmente quando si ha a che fare con amplificatori RF a potenza pulsata. Le persone che si occupano di integrità del segnale e che ora possono iniziare a lavorare con la progettazione RF sono probabilmente abituate a lavorare con i parametri S a bassi livelli di segnale quando analizzano i loro circuiti RF e determinano l'adattamento dell'impedenza appropriato. L'uso dei parametri S non è appropriato nella progettazione di amplificatori RF di Classe AB e Classe C poiché questi amplificatori operano intrinsecamente in regime non lineare.

In termini di trasferimento di potenza a bassi livelli di segnale (ovvero, nel regime lineare), il trasferimento massimo di potenza è assicurato quando l'impedenza del carico è abbinata al coniugato complesso dell'impedenza di uscita dell'amplificatore. Tuttavia, un amplificatore di potenza (normalmente posizionato nella sezione di trasmissione RF) potrebbe fornire un guadagno maggiore e un'efficienza superiore alla potenza di uscita nominale se c'è un'intenzionale disadattamento di impedenza.

Quando operato ad alta potenza di uscita, il disadattamento/match dell'impedenza di uscita/del carico dell'amplificatore che produce il massimo trasferimento di potenza al carico potrebbe non coincidere con il disadattamento/match che produce la massima efficienza alla frequenza desiderata (questo è certamente vero per i componenti resistivi). Quindi, come si può determinare la giusta impedenza abbinata al carico per assicurarsi di vedere le migliori prestazioni? Poiché l'impedenza vista dalla sorgente dipende dai livelli di potenza di ingresso e di uscita dell'amplificatore, sarà necessario utilizzare l'analisi di load-pull per determinare l'impedenza appropriata vista dall'uscita dell'amplificatore. Quindi è necessario abbinare l'impedenza del carico a questo valore.

Esiste un modo piuttosto semplice per eseguire l'analisi di load-pull con un simulatore e un diagramma di Smith. L'idea è iterare attraverso un grande numero di valori di impedenza del carico (ricorda, l'impedenza è la somma di resistenza e reattanza) a una specifica potenza di ingresso. Si procede quindi a sondare la corrente/la tensione di uscita per ogni combinazione di resistenza e reattanza del carico, permettendo di calcolare anche il guadagno e l'efficienza. Si tracciano quindi i contorni della potenza di uscita come funzione dell'impedenza del carico alla particolare potenza di ingresso.

Questo è mostrato nel diagramma di Smith qui sotto: ogni contorno mostra l'insieme dei valori di resistenza e reattanza che producono una specifica potenza di uscita (verde) ed efficienza (blu). Il contorno rosso mostra la regione dove questi due insiemi di curve si sovrappongono. È quindi possibile determinare il compromesso tra potenza di uscita ed efficienza per specifiche potenze di uscita dove i contorni si intersecano. Nota che, a una diversa potenza di ingresso, genererai un diverso insieme di contorni.

Esempio di diagramma di Smith con risultati dall'analisi di load-pull per l'adattamento dell'impedenza dell'amplificatore RF [Fonte]

La combinazione di reattanza e resistenza che determini dai risultati del load-pull ti dirà quale rete di adattamento dovresti usare per impostare l'impedenza del carico. Puoi poi verificare ciò con misurazioni dell'analizzatore di rete vettoriale con un coupon di prova. Presta attenzione al comportamento della tua rete di adattamento ad alte frequenze; oltre alla auto-risonanza (vedi sotto), la larghezza di banda della tua rete di adattamento può creare alcuni problemi per il radar FMCW chirped. Nota che, a 77 GHz, l'intervallo di chirp può raggiungere i 4 GHz, quindi la tua larghezza di banda dovrebbe essere relativamente piatta da 73 a 81 GHz.

Amplificatore RF da IC e Componenti Discreti

Se il tuo IC desiderato non soddisfa le tue esigenze e devi progettare un amplificatore personalizzato da componenti discreti, avrai più difficoltà a frequenze RF per una serie di motivi. Oltre alla risposta non lineare di questi amplificatori ad alta potenza, il layout effettivo può creare problemi di integrità del segnale a causa di disadattamenti di impedenza tra i componenti. A causa delle caratteristiche di impedenza di diversi componenti, potresti non essere in grado di adattare l'impedenza in tutto il progetto dell'amplificatore. Questo è dovuto alle lunghezze d'onda molto corte delle frequenze mmWave (vedi sotto).

Prima di addentrarci in alcuni punti relativi al layout, diamo un'occhiata alla selezione dei componenti. I componenti basati su GaN sono i migliori per le aree emergenti del design RF dove le frequenze vanno da 10 a 100 GHz (ad esempio, 5G o altre applicazioni mmWave). A frequenze GHz inferiori, i componenti basati su un processo GaAs sono la scelta migliore. Qualsiasi condensatore e induttore che utilizzi per l'adattamento avrà una certa frequenza di auto-risonanza; assicurati di scegliere componenti passivi con una frequenza di auto-risonanza sufficientemente alta quando costruisci uno di questi circuiti.

Alle frequenze microwave, le lunghezze d'onda del tuo segnale sono dell'ordine dei cm (ad esempio, 6 cm nello spazio libero a 5 GHz), quindi probabilmente puoi tollerare disadattamenti di impedenza quando le tue tracce tra i componenti sono abbastanza corte. Alle frequenze mmWave, è molto più probabile che ogni traccia agisca come una lunga linea di trasmissione, anche se disponi i tuoi componenti nel tuo amplificatore RF personalizzato il più vicino possibile. Se c'è un disadattamento tra i componenti, possono formarsi onde stazionarie lungo una traccia, sia alla frequenza fondamentale desiderata che a una o più armoniche di ordine superiore. Quando ciò accade, le tue tracce iniziano ad agire come antenne e irradiano fortemente.

In questa situazione, un'architettura di linea di trasmissione come le guide d'onda coplanari sarà difficile da implementare a causa dello spazio richiesto per il rame sullo strato superficiale, e sarà necessario isolare la parte dell'amplificatore sulla scheda per garantire l'integrità del segnale. Segui le migliori pratiche per separare le sezioni di terra digitale e analogica nel tuo piano di massa sotto lo strato superficiale. In schede multistrato con un alto numero di strati, Rick Hartley (vedi la diapositiva 55 in questa presentazione più vecchia) raccomanda di posizionare piani di massa su ogni altro strato per fornire una schermatura e un'isolamento sufficienti tra gli strati di segnale. Dovresti anche posizionare un riempimento di rame attorno alle varie sezioni RF e collegarlo a terra con delle vie.

Nota le vie sparse sullo strato superficiale

Assicurati di seguire alcune delle migliori pratiche con la spaziatura delle vie e dimensionando lo spessore del riempimento di rame per spostare la frequenza di risonanza di ordine più basso sopra la frequenza RF con cui stai lavorando. Per evitare alcuni problemi con la risonanza degli stub delle vie e la retroforatura durante la fabbricazione, potresti semplicemente utilizzare vie passanti per collegare a terra il tuo riempimento di rame. Nei casi più estremi, puoi utilizzare una scatola di schermatura per isolare le sezioni RF.

L'adattamento dell'impedenza degli amplificatori RF può essere un'impresa difficile, specialmente con gli amplificatori di potenza che sono decisamente non lineari. Le funzionalità di layout, simulazione e analisi dell'integrità del segnale in Altium Designer possono aiutarti a determinare le migliori scelte di progettazione e layout del circuito per i tuoi circuiti di amplificatori RF e controllare l'impedenza sulla tua scheda.

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