RFパワーアンプモジュールのPCB設計

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RFパワーアンプは、無線製品に必ず見られ、しばしばチップセットやモデムに組み込まれています。しかし、特殊なシステムでは、特定の周波数でより高い出力が必要になる場合があり、これには離散アンプ回路を使用してその電力を提供する必要があります。これらのシステムは、外部オシレータを取り込んで高出力信号を提供することができるか、またはローカルオシレータを使用してアンプに供給される必要な信号を生成することができます。

この例のプロジェクトでは、6 GHz帯で動作し、高出力（約10 dB以上）を持つパワーアンプモジュールの設計方法を示します。ここで示すモジュールは、+13 dBの利得で信号を増幅し、その信号をSMAコネクタに渡すことで高出力を提供します。このモジュールは完全に自己完結型であり、電源を適用するだけで出力ポートで高周波信号が得られます！

6 GHz帯で動作するシステムのパワーアンプ設計とレイアウトについてもっと学ぶために、以下のプレイリストをご覧ください。

私たちのパワーアンプPCBモジュール

この例で使用するパワーアンプコンポーネントは、Hittite Microwave（現在はAnalog Devices）からのHMC637ALP5Eです。この部品は非常に高い利得と飽和レベル（IP3ポイントと-1 dB圧縮の観点から）、低いリターンロス、そしてシンプルなレイアウト要件を持っています。デザインはQFNパッケージになっていますが、ほとんどのピンはグラウンドまたはNCです。

この設計での信号源は、電圧制御発振器（VCO）になります。これらのコンポーネントも、回路図や回路で扱うのは非常にシンプルです。PCBレイアウトには、インピーダンス制御と隔離に関していくつか重要な考慮事項が必要ですが、出力は直接パワーアンプに供給できます。このVCOのパワー出力を考えると、アンプは非常に安定して線形範囲で動作するため、調和波の生成は最小限になると予想されます。

さらに、重要な電源回路が2つと、いくつかの補助コンポーネントがあります：

• 12Vから5Vへのシステム電源レギュレータ（TPS562201DDCR）
• ゲート電圧を供給するためのデュアルレールレギュレータ（LM27762DSSR）

パワーアンプ回路

この例のモジュールにおけるパワーアンプは、電力のために2つのゲート電圧と主要なドレイン電圧を必要とします。応答範囲は非常に広く、DCから約6 GHzまでです。パワーアンプの応答範囲はデータシートで最大6 GHzと記載されていますが、データシートの2ページ目から3ページ目のすべてのグラフを見ると、応答は約8 GHzまで一貫していることがわかります。したがって、6 GHzをわずかに超えて動作させても、システムは問題なく動作すると考えられます。

回路図に示されているパワーアンプ回路は以下の通りです。私たちのコンポーネントのデータシートで指定されているように、RFINとRFOUTラインにはACカップリングがあります。

アンプに適用されるゲート電圧は、PCB上のピンヘッダーのセットを通じて供給されます。ここでのアイデアは、必要に応じてヘッダーの1つを切断し、外部のベンチ電源に接続できるようにすることです。これにより、アンプの電源投入シーケンスを手動で適用することも可能になります。HMC637ALP5Eデータシートのページを参照して、電源投入手順を確認してください。

VCO、アンプ応答、およびそのチューニング電圧

このボード上のVCOは、部品番号HMC358MS8GEです。このコンポーネントは非常にシンプルな使用法で、VTUNEピンに適用されたDCチューニング電圧で出力を調整できます。出力範囲は5.8 GHzから6.8 GHzです。VCO回路は以下に示されています。

VTUNEピンに3Vの電源接続をすると、このVCOは出力ピンで6.3 GHzの信号を生成します。HMC637ALP5Eのデータシートから、6 GHzの公称カットオフにもかかわらず、6.3 GHzでアンプから一貫した応答が期待できることに注意してください。したがって、この設計の初期リビジョンでは、VTUNEに直接3Vを接続することにします。記事の最後で、チューニング電圧を調整可能にするいくつかの方法を概説しました。

バイアスT

バイアスT回路を使用して、パワーアンプにVDD電源が供給されます。単一のキャパシタとインダクターのみを使用するバイアスTは、2つの要件を満たすように簡単に設計できます：

• AC信号を通過させるために必要な最小限の容量があります
• DC経路とAC経路の間には、DCソースの隔離レベルを決定するインピーダンス比が存在します
• DC側で高い隔離インピーダンスが必要な場合、インダクタンスは大きくなる必要があります

使用したバイアスティー回路は以下に示されています。

6.3 GHzのVCO出力では、このバイアスティーは約43:1のインピーダンス比を持ちます。過去には、1:1のインピーダンス比でも問題なく動作するバイアスティーを備えた別のパワーアンプリファイアを使用したことがあります。しかし、このバイアスティーがピンヘッダーに戻って接続されているため、ピンの1つから信号が強く放射されることを心配します。したがって、負荷への最大電力伝達が目標である場合、コンデンサを減らす必要があるか、インダクタンスを増やす必要があるかもしれませんが、これによりバイアスティーの通過帯域が変更される可能性があります。バイアスティーの帯域幅/通過帯域は、アンプの動作周波数でのDCブロッキングと電力供給について確認する必要があります。

私は別の記事でバイアスティー設計の具体的な内容を取り上げましたが、この記事ではこのバイアスティーのシミュレーションをカバーし、現在のバイアスティーでの電力供給と、50オーム負荷に最大電力を供給する最適化されたバイアスティーを示します。

スタックアップとPCBレイアウト

この基板は、RFラインの共面ルーティングを備えた4層スタックアップに配置されます。4層スタックアップを使用することで、表面層の下にグラウンドを配置できます。この基板は、PCBのトップレイヤーに必要なすべてのコンポーネントとRFインターコネクトのルーティングを配置します。ボトムレイヤーは電源レールのルーティングに使用でき、内層はGNDになります。このタイプのスタックアップとルーティングにより、寄生減少を通じてRFセクションと電源レギュレータセクション間の最大の隔離が保証されます。

ここで使用されている材料システムは、低DkのFR4です。この仕様を満たす可能性のあるブランド名の例としては、Isola 370HRやITEQがあります。このタイプの設計では、インターコネクトの長さが比較的短いため、過度な損失は発生せず、Rogersのような低損失材料は必要ありません。

このモジュールのPCBレイアウトには、電源回路とRF回路の間にセグメンテーションが必要です。特に、主な12Vから5Vへのスイッチングレギュレータはかなりのスペースを占めることになります。小さいボードサイズでは、スイッチング要素はこのボードの初期フロアプランでRFラインから離して配置する必要があります。配置を適用する初期の領域は以下の通りです。

上記のフロアプランは3つのことを行います：

• L2のグラウンドを利用することで、電源レギュレータ周辺のノイズ制御が優れています
• RFラインとピンヘッダーのコンポーネント周辺に十分なスペースを残します
• VCOからアンプおよび出力SMAコネクタ（J1）への直線パスを残します

電源レギュレータ回路の配置とレイアウトは基本的なものなので、この記事では繰り返しません。電源レイアウトとスイッチングレギュレータレイアウトのベストプラクティスについては、このリンクで詳しく読むことができます.

以下にRFルーティングセクションを示します。上に示されたインピーダンスプロファイルは、RFネットのための設計ルールとして使用されました。この設定は、上記のビデオで概説されています。6GHz信号がインターコネクトに沿って最小限の漏洩で保持されるように、RFネットにシールドを追加しました。これらのビア間の間隔は少し攻撃的です。穴壁から穴壁までの間隔はわずか12ミルで、製造業者によって通常指定される8ミルまたは10ミルの典型的な最小値に近いです。

完成したレイアウトを以下に示します。スイッチングノイズがトップレイヤーで共振するのを防ぐために、高周波カットオフを持つステッチングビアが追加されました。最後に、電源投入手順を支援するために、ピンヘッダーにロゴと電圧指示を追加しました。

この設計の改善方法

この設計は、固定周波数で広帯域アンプに出力されます。もし望むなら、VTUNEピンで電圧を調整する機能を実装することにより、設計を変更して可変出力電圧を含めることができます。テスト後には、他の改善が適切かもしれません。いくつかのオプションがあります：

1. 必要に応じて、出力でのインピーダンス比を増加させるために、バイアスティーインダクタを10倍から100倍大きな値に交換することができますが、望ましい帯域幅への影響に注意してください。
2. VTUNEピンにかかる電圧を分割するために、可変抵抗器を使用します。
3. VTUNEピンの電圧を調整するためにDACまたは可変レギュレータを使用します。これには外部MCUモジュールへの追加のピンヘッダが必要になります（例えば私たちのnRF52モジュールのように）。
4. 外部電源を使用してチューニングできるようにピンヘッダを追加します。
5. C6とSMAコネクタの大きなパッドへのテーパーの追加を検討して、滑らかな遷移を実現します。SMAではわずかな不一致が生じる可能性があり、テーパーが必要になるかもしれません。
6. ポイント＃5を続けて、ビアフェンスを持つCPWのシミュレーションを実行し、インピーダンス目標が達成されることを確認します。
7. SMAは下部ピンとの小さな隙間で動作しますが、基板を厚くすることが望ましいです。メーカーはこれを実現するスタックアップを提供できます。

これは、たとえば、出力信号をパワーアンプの定格最大周波数6 GHzに戻したい場合に非常に便利かもしれません。上述したように、VTUNEピンを接地してVCOの出力を恒久的に5.8 GHzに設定することもできます。

最後に、アンテナにアクセスするために、バックレイヤーにパッチアンテナを追加し、ビアを通じてアンテナにプローブ結合接続を追加することができます。基板の裏側にプローブ給電パッチアンテナへのビアを配置するのは非常に簡単です。しかし、バックレイヤーの電力配線のため、これを実現する最も簡単な方法は、スタックアップを6層PCBに変更することです。

このリンクに従ってプロジェクトソースファイルのZIPアーカイブをダウンロードしてください。上記の埋め込みのダウンロードリンクを使用して、ソースファイルにアクセスすることもできます。

複雑なRFシステムを、パワーアンプやVCOを使用して作成する必要がある場合は、Altium Designer®の2Dおよび3D CADツールを使用してください。設計が完了し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームを使用すると、プロジェクトの共有やコラボレーションが簡単になります。

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