Progettazione PCB per Modulo Amplificatore di Potenza RF

Clicca qui per passare all'incorporamento del visualizzatore e sfogliare questo progetto

Gli amplificatori di potenza RF si possono trovare in qualsiasi prodotto wireless, spesso integrati nei chipset o nei modem. Tuttavia, in alcuni sistemi specializzati, potrebbe essere necessaria una maggiore potenza di uscita a una frequenza specifica, e ciò richiede un circuito amplificatore discreto per fornire tale potenza. Questi sistemi possono prendere un oscillatore esterno e amplificarlo per fornire un segnale ad alta potenza, oppure può essere utilizzato un oscillatore locale per generare il segnale richiesto che verrà alimentato nell'amplificatore.

In questo progetto di esempio, mostrerò come progettare un modulo amplificatore di potenza che opera nella gamma dei 6 GHz con un'alta potenza di uscita (sopra circa 10 dB). Il modulo che mostrerò qui fornisce un'alta potenza di uscita amplificando il segnale con un guadagno di +13 dB, e il segnale viene passato a un connettore SMA. Il modulo è pensato per essere completamente autonomo; basta applicare energia e si ottiene un segnale ad alta frequenza alla porta di uscita!

Guarda la playlist qui sotto per saperne di più sulla progettazione e il layout di amplificatori di potenza per sistemi che operano nella gamma dei 6 GHz.

Il nostro modulo PCB per Amplificatore di Potenza

Il componente dell'amplificatore di potenza che utilizzeremo in questo esempio è l'HMC637ALP5E di Hittite Microwave (ora Analog Devices). Questo componente ha un guadagno molto alto e livelli di saturazione (in termini di punto IP3 e compressione a -1 dB), così come bassa perdita di ritorno e semplici requisiti di layout. Il design è in un pacchetto QFN, ma la maggior parte dei pin sono di terra o NC.

La fonte del segnale in questo design sarà un oscillatore controllato in tensione (VCO). Anche questi componenti sono molto semplici da utilizzare in schemi e circuiti. Per un layout PCB, richiedono alcune considerazioni importanti sul controllo dell'impedenza e sull'isolamento, ma l'uscita può essere alimentata direttamente all'amplificatore di potenza. Data la potenza di uscita di questo VCO, l'amplificatore opererà molto solidamente nell'intervallo lineare, quindi ci aspetteremmo una generazione minima di armoniche.

In aggiunta, avremo due importanti circuiti di alimentazione e alcuni componenti ausiliari:

• Un regolatore di potenza da 12V a 5V (TPS562201DDCR)
• Un regolatore a doppio binario per fornire le tensioni di gate (LM27762DSSR)

Circuito dell'Amplificatore di Potenza

L'amplificatore di potenza in questo modulo di esempio richiede due tensioni di gate e una tensione di drain primaria per l'alimentazione. L'intervallo di risposta è molto ampio, da DC a circa 6 GHz. L'intervallo di risposta dell'amplificatore di potenza è indicato come massimo 6 GHz nel datasheet, ma se si esaminano tutti i grafici dalla pagina 2 alla 3 nel datasheet, si vedrà che la risposta è consistente fino a circa 8 GHz. Pertanto, possiamo probabilmente funzionare leggermente sopra i 6 GHz e il sistema funzionerà bene.

Il circuito dell'amplificatore di potenza negli schemi è mostrato di seguito. Abbiamo un accoppiamento AC sulle linee RFIN e RFOUT come specificato nei datasheet dei nostri componenti.

Le tensioni di gate applicate all'amplificatore sono fornite attraverso un set di pin header sul PCB. L'idea qui è di poter scollegare uno dei header e connettersi a un'alimentazione esterna da banco se necessario. Questo consente anche di applicare manualmente la sequenza di accensione per l'amplificatore. Vedere la pagina del datasheet HMC637ALP5E per la procedura di accensione.

VCO, Risposta dell'Amplificatore e la sua Tensione di Accordatura

Il VCO su questa scheda ha come numero di parte HMC358MS8GE. Questo componente ha un utilizzo molto semplice e l'uscita può essere regolata applicando una tensione di sintonizzazione DC al pin VTUNE. L'uscita varia da 5,8 GHz a 6,8 GHz. Il circuito VCO è mostrato di seguito.

La connessione di alimentazione a 3 V a questo VCO sul pin VTUNE fa sì che l'oscillatore produca un segnale di 6,3 GHz al pin di uscita. Da notare che, dal datasheet dell'HMC637ALP5E, possiamo aspettarci una risposta consistente dall'amplificatore a 6,3 GHz nonostante il limite dichiarato di 6 GHz. Pertanto, nella revisione iniziale di questo progetto, ci atterremo alla connessione diretta a 3V a VTUNE. Alla fine dell'articolo, ho delineato alcuni modi in cui la tensione di sintonizzazione potrebbe essere resa regolabile.

Bias Tee

L'alimentazione VDD è fornita all'amplificatore di potenza utilizzando un circuito bias tee. Un bias tee che utilizza solo un singolo condensatore e induttore può essere facilmente progettato per soddisfare due requisiti:

• Ci sarà una capacità minima richiesta per far passare il segnale AC
• Ci sarà un rapporto di impedenza tra il percorso DC e il percorso AC che determina il livello di isolamento sulla fonte DC
• L'induttanza dovrà essere maggiore quando è richiesta un'impedenza di isolamento più alta sul lato DC

Il circuito del bias tee che ho utilizzato è mostrato di seguito.

All'uscita del VCO di 6,3 GHz, questo bias tee avrà un rapporto di impedenza di circa 43:1. In passato, ho utilizzato un altro amplificatore di potenza con un bias tee che può funzionare bene anche con un rapporto di impedenza basso come 1:1. Tuttavia, poiché questo bias tee si collega di nuovo a un connettore a pin, mi preoccuperei che parte del segnale possa irradiarsi fortemente da uno dei pin. Pertanto, se il tuo obiettivo è il massimo trasferimento di potenza al carico, potresti scoprire che il condensatore deve essere diminuito o l'induttore deve essere aumentato, ma ciò potrebbe alterare la banda passante del bias tee. La larghezza di banda/il passabanda del bias tee dovrebbe essere controllata per il blocco DC e la consegna di potenza alla frequenza operativa dell'amplificatore.

Ho trattato i dettagli specifici del progetto del bias tee in un altro articolo, in questo articolo copro le simulazioni di questo bias tee e mostro la consegna di potenza con l'attuale bias tee, così come un bias tee ottimizzato che fornisce la massima consegna di potenza a un carico da 50 Ohm.

Impilamento e Layout PCB

Questa scheda sarà posizionata su un impilamento a 4 strati con routing coplanare per le linee RF. Usare un impilamento a 4 strati mi permette di mettere la massa sotto lo strato superficiale. Questa scheda avrà tutti i componenti necessari posizionati sullo strato superiore del PCB, così come il routing dell'interconnessione RF. Lo strato inferiore può essere utilizzato per il routing dei binari di alimentazione, e gli strati interni saranno GND. Questo tipo di impilamento e routing garantirà la massima isolazione tra la sezione RF e la sezione del regolatore di potenza attraverso la riduzione parassitaria.

Il sistema di materiali utilizzato qui è un FR4 a basso Dk; esempi di marchi che potrebbero soddisfare questa specifica sono Isola 370HR o ITEQ. Da notare che per questo tipo di progetto, dove la lunghezza dell'interconnessione è piuttosto breve, non ci saranno perdite eccessive e non è necessario un materiale a bassa perdita come Rogers.

Il layout del PCB per questo modulo richiede una segmentazione tra i circuiti di alimentazione e i circuiti RF. In particolare, il principale regolatore di commutazione da 12V a 5V occuperà una discreta quantità di spazio. Data la piccola dimensione della scheda, qualsiasi elemento di commutazione dovrebbe essere tenuto lontano dalle linee RF nel piano iniziale per questa scheda. Le regioni iniziali in cui applicherò il posizionamento sono mostrate di seguito.

Il piano di sopra fa tre cose:

• Sfruttando la massa su L2, abbiamo un eccellente controllo del rumore intorno ai regolatori di potenza
• Lascia abbastanza spazio intorno alle linee RF e ai componenti per i pin header
• Lascia un percorso in linea retta dal VCO all'amplificatore e al connettore di uscita SMA (J1)

Il posizionamento e il layout per i circuiti del regolatore di potenza sono elementari, quindi non lo ripeterò in questo articolo. Puoi leggere di più sulle migliori pratiche per il layout dell'alimentazione e il layout del regolatore di commutazione a questo link.

La sezione di instradamento RF è mostrata di seguito. Il profilo di impedenza mostrato nello stackup sopra è stato utilizzato come regola di progettazione per le reti RF; questa impostazione è descritta nel video collegato sopra. Ho aggiunto schermature alle reti RF in modo che il segnale a 6 GHz possa essere contenuto lungo l'interconnessione con minime perdite. La distanza tra queste vie è un po' aggressiva; la distanza da parete a parete del foro è di soli 12 mil, che è vicina al minimo tipico di 8 o 10 mil che sarebbe normalmente specificato da una fabbrica.

Il layout finito è mostrato di seguito. Sono state aggiunte vie di cucitura con taglio ad alta frequenza per prevenire che il rumore di commutazione risoni nello strato superiore. Infine, ho aggiunto un po' di serigrafia con loghi e indicatori di tensione sui pin header per assistere nella procedura di accensione.

Come Migliorare Questo Design

Questo design opera a una frequenza fissa che viene inviata a un amplificatore a banda larga. Se volessimo, potremmo modificare il design per includere una tensione di uscita regolabile implementando la capacità di regolare la tensione al pin VTUNE. Alcuni altri miglioramenti potrebbero essere appropriati dopo i test. Ci sono diverse opzioni:

1. Se necessario, l'induttore del bias tee potrebbe essere sostituito con un valore da 10x a 100x maggiore per aumentare il rapporto di impedenza all'uscita, ma attenzione all'effetto sulla larghezza di banda desiderata.
2. Utilizzare un potenziometro in un partitore di tensione attraverso il pin VTUNE.
3. Utilizzare un DAC o un regolatore regolabile per aggiustare la tensione sul pin VTUNE; ciò richiederebbe un ulteriore pin header per un modulo MCU esterno (come il nostro modulo nRF52).
4. Aggiungere un pin header in modo che possa essere utilizzata una fonte di tensione esterna per la sintonizzazione.
5. Considerare l'aggiunta di un cono di ingresso/uscita su pad più grandi su C6 e i connettori SMA per transizioni morbide; sui connettori SMA potrebbe esserci una leggera discrepanza che necessiterebbe di un cono per compensare.
6. Proseguendo sul punto #5, eseguire una simulazione per il CPW con la recinzione di via per assicurarsi che l'obiettivo di impedenza sia raggiunto.
7. Sebbene gli SMA funzioneranno con un piccolo spazio ai pin inferiori, è preferibile ispessire la scheda; un produttore potrebbe fornire un impilamento che lo consentirà.

Questo potrebbe essere molto utile se, ad esempio, si volesse riportare il segnale di uscita alla massima frequenza nominale dell'amplificatore di potenza di 6 GHz. Come ho menzionato sopra, si potrebbe anche semplicemente collegare a massa il pin VTUNE per impostare permanentemente l'uscita del VCO a 5,8 GHz.

Infine, per accedere a un'antenna, potremmo aggiungere un'antenna patch sullo strato posteriore e aggiungere una connessione accoppiata tramite sonda all'antenna attraverso un via. Sarebbe abbastanza semplice posizionare un via per un'antenna patch alimentata tramite sonda sul lato posteriore del circuito stampato. Tuttavia, a causa del routing dell'alimentazione sullo strato posteriore, il modo più semplice per realizzare ciò è cambiare lo stackup in un'PCB a 6 strati.

Segui questo link per scaricare un archivio ZIP con i file sorgente del progetto. Puoi anche utilizzare il link di download nell'embed sopra per accedere ai file sorgente.

Ogni volta che hai bisogno di creare sistemi RF complessi con un amplificatore di potenza o un VCO, utilizza gli strumenti CAD 2D e 3D in Altium Designer®. Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365™ rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti.

Abbiamo appena sfiorato la superficie di ciò che è possibile con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.