マイクロ波およびミリ波周波数におけるRFパワーアンプのインピーダンス整合

MarketWatchによると、RFアンプの全体市場は2023年に270億ドルを超えると予想されています。では、これらのRFアンプはどこで使用されることが予想されているのでしょうか？5Gや一般的なセルラーネットワークの拡大により、予想される成長の大きな部分を占めることができます。PCBデザイナーにとって、特に高出力アンプの場合、RFアンプのインピーダンスマッチングは重要な設計ポイントになります。

大信号RFアンプのインピーダンスマッチング

RF電力整合性に関わる人々は、特にパルスRFパワーアンプを扱う場合、アンプの出力を通じて過渡信号を抑制するためにモバイルデバイスに良好な電圧レギュレータが必要であることをよく知っているでしょう。RF設計に取り組み始めるかもしれない信号整合性に関わる人々は、RF回路を分析し、適切なインピーダンスマッチングを決定する際に、低信号レベルでSパラメータを使用することに慣れているかもしれません。Sパラメータの使用は、これらのアンプが非線形領域で動作しているため、Class ABおよびClass C RFアンプ設計には適していません。

低信号レベルでの電力伝送（つまり、線形領域において）に関しては、負荷インピーダンスがアンプの出力インピーダンスの複素共役に一致している場合に最大の電力伝送が保証されます。しかし、電力アンプ（通常、RF送信セクションに配置される）は、意図的なインピーダンスの不一致がある場合に、定格出力電力でより高い利得と効率を提供するかもしれません。

高出力で動作する場合、アンプの出力インピーダンス/負荷インピーダンスの一致/不一致が、負荷への最大電力伝送を生み出すものは、所望の周波数で最大効率を生み出す一致/不一致と一致しない場合があります（これは抵抗成分について確かに当てはまります）。では、最適な性能を確認するために、負荷における正しい一致したインピーダンスをどのように決定できるでしょうか？ソースによって見られるインピーダンスは、アンプの入力および出力電力レベルに依存するため、アンプの出力によって見られる適切なインピーダンスを決定するためには、負荷プル分析を使用する必要があります。その後、この値に負荷のインピーダンスを一致させる必要があります。

シミュレータとスミスチャートを使用して、ロードプル解析を行う比較的簡単な方法があります。この方法は、特定の入力電力で、大量の負荷インピーダンス値（インピーダンスは抵抗とリアクタンスの合計であることを忘れないでください）を反復して通過させることです。次に、負荷抵抗とリアクタンスの各組み合わせに対して出力電流/電圧をプローブし、これによりゲインと効率も計算できます。その後、特定の入力電力での負荷インピーダンスの関数として出力電力の輪郭をプロットします。

これは以下のスミスチャートで示されています：各輪郭は、特定の出力電力（緑）と効率（青）を生成する抵抗とリアクタンスの値のセットを示しています。赤い輪郭は、これら2つの曲線のセットが重なる領域を示しています。輪郭が交差する特定の出力電力において、出力電力と効率の間のトレードオフを決定できます。異なる入力電力では、異なるセットの輪郭が生成されることに注意してください。

RFアンプのインピーダンスマッチングに関するロードプル解析の結果を示した例のスミスチャート [ソース]

負荷プル結果から決定したリアクタンスと抵抗の組み合わせは、負荷インピーダンスを設定するためにどのマッチングネットワークを使用すべきかを教えてくれます。その後、テストクーポンを使用したベクトルネットワークアナライザーの測定でこれを確認できます。高周波でのマッチングネットワークの振る舞いに注意してください。自己共振に加えて（下記参照）、マッチングネットワークの帯域幅がFMCWチャープレーダーに対していくつかの問題を引き起こす可能性があります。77 GHzで、チャープ範囲が4 GHzに達することができるので、帯域幅は73から81 GHzまで比較的フラットであるべきです。

ICおよびディスクリートコンポーネントからのRFアンプ

希望するICがニーズを満たさない場合、ディスクリートコンポーネントからカスタムアンプを設計する必要がある場合、RF周波数でより困難な時間を過ごすことになります。これらのアンプの高出力での非線形応答に加えて、実際のレイアウトはコンポーネント間のインピーダンス不一致により信号整合性の問題を引き起こす可能性があります。異なるコンポーネントのインピーダンス特性のため、アンプ設計全体でインピーダンスを一致させることができないかもしれません。これは、ミリ波周波数の非常に短い波長が原因です（下記参照）。

レイアウトのポイントに入る前に、まずコンポーネント選択について見てみましょう。GaNに基づくコンポーネントは、10-100 GHzの周波数範囲を持つRF設計の新興分野（例えば、5Gやその他のmmWaveアプリケーションなど）に最適です。低GHz周波数では、GaAsプロセスに基づくコンポーネントが最良の選択です。マッチング用に使用する任意のキャパシタやインダクタは、ある自己共振周波数を持っています。これらの回路を構築する際には、十分に高い自己共振周波数を持つ受動コンポーネントを選択することを確認してください。

マイクロ波周波数では、信号の波長はcm単位です（例えば、5 GHzで自由空間における6 cmなど）、したがって、コンポーネント間のトレースが十分に短ければ、インピーダンスの不一致を許容できるかもしれません。mmWave周波数では、カスタムRFアンプ内のコンポーネントをできるだけ密接に配置しても、すべてのトレースが長い伝送線のように振る舞う可能性がはるかに高くなります。コンポーネント間に不一致がある場合、トレースに沿って定在波が形成される可能性があります。これは、望ましい基本周波数または一つ以上の高次高調波で発生する可能性があります。これが起こると、トレースはアンテナのように振る舞い始め、強く放射するようになります。

この状況では、表面層に銅を配置するために必要なスペースのため、伝送線アーキテクチャである共面導波路の実装が難しくなります。そして、信号の整合性を保証するために、基板のアンプ部分を隔離する必要があります。表面層の下にあるグラウンドプレーンで、デジタルとアナログのグラウンドセクションを分離するためのベストプラクティスに従ってください。多層基板で層数が多い場合、Rick Hartleyは（この古いプレゼンテーションのスライド55を参照）、信号層間で十分な遮蔽と隔離を提供するために、隔層ごとにグラウンドプレーンを配置することを推奨しています。また、様々なRFセクションの周りに銅を敷き、ビアで接地する必要があります。

表面層に散らばっているビアに注意してください

ビアの間隔と銅の注ぎ込みの厚さを適切に設定し、最低次の共振周波数を作業中のRF周波数よりも高くするベストプラクティスに従ってください。ビアスタブ共振や製造中のバックドリリングで頭痛の種を省くために、銅の注ぎ込みを接地するためにスルーホールビアを使用することができます。最も極端な場合には、シールド缶を使用してRFセクションを隔離することができます。

RFアンプのインピーダンスマッチングは、特に非線形性が強いパワーアンプでは難しい課題となります。Altium Designerのレイアウト、シミュレーション、および信号整合性分析機能を使用すると、RFアンプ回路の最適な回路設計とレイアウト選択を決定し、基板のインピーダンスを制御することができます。

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