Guida alla Progettazione e al Layout degli Alimentatori RF

Zachariah Peterson
|  Creato: October 17, 2021
Progettazione degli alimentatori RF

Una cosa è certa: la progettazione degli alimentatori va ben oltre il semplice routing delle linee di alimentazione CC verso i componenti. La progettazione di alimentatori per radiofrequenza richiede particolare attenzione per evitare il trasferimento di rumore eccessivo tra le parti del sistema, compito ancora più arduo quando si lavora a livelli di potenza elevati. Oltre a un layout accurato, i circuiti devono essere progettati in modo tale che il sistema fornisca una conversione e un'erogazione di potenza altamente efficienti a ciascuna sottosezione del sistema.

I sistemi ad altissima potenza sono ancora progettati con componenti discreti che possono essere collegati all’interno di grandi involucri o sportelli, mentre i sistemi di alimentazione più piccoli possono essere posizionati sui PCB utilizzando componenti più recenti e strategie di regolazione della potenza. Le sfide progettuali che questi due sistemi comportano sono di due tipi:

  • HGenerazione di calore nei FET e negli amplificatori, il che motiva l'uso di semiconduttori avanzati come GaN su SiC per l'amplificazione RF.
  • Parassiti che potrebbero portare a perdite di alta potenza nei circuiti posti lungo la linea di alimentazione, il che richiede un posizionamento e un routing particolarmente attenti.

Il problema della generazione di calore si risolve durante la selezione dei componenti per i circuiti di alimentazione, prima del loro inserimento nei fogli schematici. Il secondo punto, invece, si risolve con un layout e routing di qualità. In quest'articolo parleremo di entrambe le problematiche, per permettere ai nuovi progettisti RF di completare lo stack-up e il posizionamento prima di passare alla fase di routing.

Come Iniziare con la Progettazione degli Alimentatori RF

Dal punto di vista della progettazione dei circuiti, gli alimentatori RF richiedono molte delle fasi di regolazione e filtraggio tipiche di un qualsiasi altro alimentatore per sistemi CC. Il ruolo principale di un alimentatore RF è quello di fornire alimentazione a un sistema RF ad una certa frequenza, il che include componenti standard utilizzati per generare e condizionare il segnale RF (oscillatori, filtri attivi, amplificatori, ecc.). L’alimentatore deve anche essere in grado di rispondere alla modulazione. Oltre a permettere la modulazione, un progetto per un alimentatore RF dovrebbe rispondere ad alcuni dei requisiti di una tipica scheda RF, vale a dire: perdita contenuta alle alte frequenze, resistenza alle alte temperature e proprietà termiche adeguate.

Il diagramma a blocchi seguente mostra come generare potenza RF alle alte frequenze.

Progettazione di un alimentatore RF
Topologia di un alimentatore RF con un amplificatore RF.

Gli alimentatori RF funzionano anche all'inverso, cioè ricevendo un segnale RF da rettificare in tensione CC. Questo richiede la costruzione di un circuito raddrizzatore RF, ma è un tema piuttosto complesso che non tratteremo in quest’articolo, concentrandoci invece sull'aspetto dell’alimentazione RF.

Regolatori e Filtri

Gli alimentatori RF che devono essere alimentati ad alte frequenze, ovvero MHz o GHz elevati, sono generalmente realizzati con componenti discreti. È comunque possibile posizionare tutte le sezioni precedenti sulla stessa scheda. Il primo passo da seguire è la selezione del regolatore e la progettazione del filtro. Nello schema a blocchi precedente, il filtro di ordine superiore e il regolatore di commutazione devono essere pensati per seguire l'inviluppo di qualsiasi segnale modulato (per l'output AM), o per modulare l'output sulla frequenza della banda base (per l'uscita FM). Questo potrebbe richiedere una topologia multifase e multilivello per il progetto; leggi questo articolo per saperne di più sulla progettazione del regolatore e del filtro all'interno del progetto.

Quando si selezionano eventuali regolatori a valle (questi potrebbero essere switching o LDO), è importante prestare attenzione all'efficienza. Se si usa un LDO, il differenziale di tensione non dovrebbe essere troppo elevato in quanto potrebbe ridurre la potenza sull'LDO, mentre l'elevata resistenza termica del componente può far sì che questo si surriscaldi rapidamente, al di sopra della sua temperatura di funzionamento. In un recente prototipo realizzato dalla mia azienda, abbiamo optato per LDO con raffreddamento a conduzione tramite l'involucro. Se è necessario ridurre notevolmente la tensione, si dovrà utilizzare un regolatore di commutazione e applicare un altro filtro di ordine superiore per garantire un basso rumore alla porta VDD, alla porta VGG e all'oscillatore.

Come Gestire il Ground

Proprio come con qualsiasi altro progetto a segnale misto, non serve isolare galvanicamente l'uscita del regolatore di commutazione (se ne sta usando uno) dalla sezione RF sbrogliando su ground separati. Si creerebbe lo stesso problema d’interferenze elettromagnetiche che accade quando un segnale digitale single-ended viene sbrogliato su un'interruzione del piano di massa. Questo è un errore comune nei sistemi a segnale misto, ed è facile ripeterlo in un sistema RF, credendo erroneamente che l'uscita dal regolatore di commutazione sia puramente CC. Anche con il tracciamento dell'inviluppo, si sta comunque portando la potenza di uscita media nel tempo alla frequenza della banda base, che potrebbe essere di decine o centinaia di MHz.

Piano di massa di un alimentatore RF
Un esempio di cattiva messa a massa tra l'uscita del regolatore e una sezione d’amplificazione/oscillazione. Il routing ad alte frequenze su questa interruzione del piano di massa irradia interferenze elettromagnetiche.

È quindi meglio mantenere una massa uniforme ed eseguire un buon posizionamento mantenendo il controllo dell'impedenza sulle piste complanari, piuttosto che cercare scorciatoie dividendo il piano di massa. Posizionando i componenti RF e i componenti CC o di regolazione in sezioni distinte è possibile evitare interferenze tra di essi, questo a patto che si riescano a tracciare correttamente i percorsi di ritorno.

Progettazione dello Stack-up e Selezione dei Materiali

Durante la progettazione dello stack-up è necessario considerare la frequenza operativa del regolatore e la lunghezza delle piste RF sulla scheda. Con piste RF più lunghe, sarà necessario utilizzare un laminato a bassa perdita, possibilmente un laminato in PTFE. I laminati in vetronite FR4 vanno bene invece per gli alimentatori RF senza piste lunghe, o per quelli in cui eventuali perdite non destano troppe preoccupazioni. Un buon compromesso fra costo ed efficienza può essere quello di usare uno stack-up ibrido con un materiale dielettrico a bassa perdita che supporti le piste RF.

L'esempio precedente con il routing della linea di alimentazione sul piano di massa può essere eseguito su una scheda a 4 layer, questo a patto che anche le linee RF siano sbrogliate su un layer superficiale. È anche possibile utilizzare una massa uniforme e un piano di alimentazione per fornire alimentazione dalla sezione del regolatore ai componenti, e quindi sbrogliare le piste RF sul layer superficiale per mantenere una scheda a 4 livelli. Questa è una soluzione valida se si vuole utilizzare uno stack-up ibrido con PTFE a bassa perdita come layer superficiale. Tuttavia, l'unico isolamento che si può effettivamente raggiungere con questo tipo di scheda deriva dalla complanarità nel routing, ovvero dalla fila via fence posizionata attorno alle piste RF e ai componenti per prevenire l'accoppiamento del rumore tra le sezioni della scheda.

Stack-up di alimentatore RF
Questi stack-up a 4 layer possono essere utilizzati a livelli di potenza bassi o moderati. L'obiettivo è quello di fornire isolamento con l’aumentare della potenza e adattarsi all'alta tensione/corrente che potrebbe essere necessaria a livelli di potenza elevati.

Per questo tipo di progetto è anche possibile utilizzare uno stack-up a 6 o 8 layer, specialmente quando si deve lavorare con potenze elevate garantendo al contempo un buon isolamento. Ad esempio, si potrebbe fare di L3 un layer di segnale per piste RF complanari tra due piani di massa (su L2/L4), quindi posizionare l'alimentazione su L5 ed eventualmente indirizzare qualsiasi altro segnale sui layer superficiali o L6 (vedi sotto). Questa è la soluzione migliore per un progetto ad alta potenza che richieda isolamento elevato, poiché il piano di massa fornisce schermatura tra i livelli.

Stack-up di alimentatore RF
Questo stack-up a 8 layer fornisce un piano di alimentazione e un elevato isolamento per i segnali RF su un layer interno. Potrebbe diventare anche uno stack-up a 6 layer rimuovendo i due livelli inferiori.

Fornendo isolamento tra le diverse sezioni del progetto, è possibile prevenire il tipo di accoppiamento parassita che consente la propagazione del rumore nell’output. L'uscita dall'alimentatore dovrebbe avere un rumore e una distorsione sufficientemente bassi da fornire energia pulita agli altri componenti. Sono due le principali fonti di rumore in questi progetti:

  • Rumore proveniente dal regolatore di commutazione o da un ingresso CC rumoroso. 
  • Rumore che si accoppia all'input dell'amplificatore dall'uscita.

Entrambi possono essere risolti con i suggerimenti di progettazione dello stack-up menzionati in quest'articolo, nonché posizionando le sezioni rumorose lontano dalla sezione di uscita RF. Il secondo caso è più difficile da controllare, specialmente alle frequenze più alte. È infatti possibile che l'uscita RF riceva un feedback positivo, accoppiandosi nuovamente all'ingresso dello stadio dell'amplificatore. Anche il routing e il filtraggio sono molto importanti, in quanto possono aiutare a fornire ulteriore isolamento e riduzione del rumore.

Posizionamento e Routing

Questi due aspetti della progettazione sono fondamentali per sopprimere i problemi di rumore menzionati nei due punti precedenti. Per garantire un buon isolamento, è importante eseguire il routing delle tracce RF dall'oscillatore, attraverso l'amplificatore e verso l'uscita, come guide d'onda complanari collegate al piano di massa (sulla superficie o sui layer interni). Per fornire schermatura è bene preferire le file via fence calcolate per le piste complanari rispetto alle tracce di protezione, poiché queste creano ulteriore accoppiamento del rumore. Infine, se si effettua il routing su un layer interno, bisogna verificare se sia necessario o meno eseguire il back-drilling analizzando i fori di via.

Qualsiasi altro condizionamento sull'uscita dipende dalla funzione e applicazione finale dell'alimentatore. Sarà per esempio sbrogliato direttamente verso un'antenna o un cavo coassiale SMA/u.FL? È prassi comune far passare l'uscita RF attraverso un filtro BAW o SAW. Occorre però prestare attenzione alla selezione dei componenti, dal momento che i filtri BAW e SAW nel pacchetto chip non sempre possono ricevere le potenze RF elevate utilizzate da alcuni alimentatori RF.

Un altro componente di cui si potrebbe aver bisogno sull'uscita è un isolatore/circolatore, per evitare il ritorno dei riflessi verso l'amplificatore. L'utilizzo di un isolatore SMD sull'uscita è particolarmente importante quando si invia l'output RF direttamente verso un'antenna.

Isolatori RF a montaggio superficiale
Gli isolatori RF a montaggio superficiale sono compatibili con i processi di saldatura per rifusione e possono gestire potenze elevate (fino a 20 W o più).

Se è necessario sbrogliare segnali attraverso un modulo RF esterno, è possibile posizionare connettori SMD u.FL o SMA per effettuare queste connessioni. Se il livello di potenza supera il valore consentito per un componente SMD o a foro passante sulla scheda, è possibile allontanare il segnale dalla basetta, farlo passare attraverso il modulo e quindi ricollegarlo secondo necessità.

Conclusioni

Mentre gli amplificatori di potenza RF e i progetti di alimentazione sono generalmente realizzati con elementi filtranti discreti, i componenti più recenti consentono un controllo maggiore delle dimensioni e della topologia della scheda, permettendo il posizionamento di molti di questi elementi su un singolo PCB. È ovviamente importante consultare il proprio produttore PCB per verificare che lo stack-up sia producibile come scheda ibrida. Bisogna quindi tener conto della rugosità del rame e della dispersione dielettrica nella progettazione della pista di trasmissione, per garantire che l'impedenza della pista di trasmissione RF raggiunga il valore standard di 50 Ohm.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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