마이크로파 및 밀리미터파 주파수에서 RF 전력 증폭기 임피던스 정합

MarketWatch에 따르면, RF 증폭기 시장은 2023년까지 270억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다. 그렇다면 이 모든 RF 증폭기는 어디에 사용될 것으로 예상되나요? 5G와 일반적으로 휴대폰 네트워크의 확장 덕분에 예상 성장의 상당 부분을 차지할 것입니다. PCB 설계자들에게 있어, RF 증폭기 임피던스 매칭은 특히 고출력 증폭기와 관련하여 중요한 설계 포인트가 됩니다.

대신호 RF 증폭기 임피던스 매칭

RF 전력 무결성 전문가들은 모바일 기기에서 좋은 전압 조절기의 필요성을 아마 잘 알고 있을 것입니다. 이는 특히 펄스 RF 전력 증폭기를 다룰 때 증폭기의 출력을 통한 순간 신호를 억제하기 위함입니다. 이제 RF 설계와 함께 작업하기 시작할 수 있는 신호 무결성 전문가들은 RF 회로를 분석하고 적절한 임피던스 매칭을 결정할 때 낮은 신호 수준에서 S-매개변수를 사용하는 데 익숙할 것입니다. S-매개변수의 사용은 이러한 증폭기가 비선형 영역에서 작동하고 있기 때문에 Class AB 및 Class C RF 증폭기 설계에는 적합하지 않습니다.

저신호 레벨에서의 전력 전송(즉, 선형 영역에서)과 관련하여, 부하 임피던스가 증폭기 출력 임피던스의 복소 공액과 일치할 때 최대 전력 전송이 보장됩니다. 그러나, 전력 증폭기(보통 RF 송신 섹션에 배치됨)는 의도적인 임피던스 불일치가 있을 때 정격 출력 전력에서 더 높은 이득과 효율을 제공할 수 있습니다.

높은 출력 전력에서 작동할 때, 최대 전력 전송을 생성하는 증폭기의 출력 임피던스/부하 임피던스 일치/불일치는 원하는 주파수에서 최대 효율을 생성하는 일치/불일치와 일치하지 않을 수 있습니다(이는 저항성 구성요소에 대해 확실히 사실입니다). 그렇다면 어떻게 최적의 성능을 보장하기 위해 부하에서 올바른 일치된 임피던스를 결정할 수 있을까요? 소스에 의해 보이는 임피던스는 증폭기의 입력 및 출력 전력 레벨에 따라 달라지기 때문에, 증폭기의 출력이 보는 적절한 임피던스를 결정하기 위해 부하 풀 분석을 사용해야 합니다. 그런 다음 이 값을 부하의 임피던스와 일치시켜야 합니다.

시뮬레이터와 스미스 차트를 사용하여 부하 풀 분석을 수행하는 방법은 상당히 간단합니다. 아이디어는 특정 입력 전력에서 대량의 부하 임피던스 값(임피던스는 저항과 리액턴스의 합임을 기억하세요)을 반복하여 계산하는 것입니다. 그런 다음 각각의 부하 저항 및 리액턴스 조합에 대해 출력 전류/전압을 측정하여 이득과 효율도 계산할 수 있습니다. 그런 다음 특정 입력 전력에서 부하 임피던스의 함수로 출력 전력 등고선을 그립니다.

아래 스미스 차트에서 보여지는 것처럼: 각 등고선은 특정 출력 전력(녹색)과 효율(파란색)을 생성하는 저항 및 리액턴스 값의 세트를 보여줍니다. 빨간색 등고선은 이 두 세트의 곡선이 겹치는 영역을 보여줍니다. 그런 다음 등고선이 교차하는 특정 출력 전력에 대해 출력 전력과 효율 사이의 절충을 결정할 수 있습니다. 다른 입력 전력에서는 다른 세트의 등고선을 생성할 것임을 유의하세요.

RF 증폭기 임피던스 매칭을 위한 부하 풀 분석 결과가 포함된 예시 스미스 차트 [출처]

로드-풀 결과에서 결정한 리액턴스와 저항의 조합은 어떤 매칭 네트워크를 사용하여 부하 임피던스를 설정해야 하는지 알려줄 것입니다. 그런 다음 테스트 쿠폰으로 벡터 네트워크 분석기 측정을 통해 이를 확인할 수 있습니다. 고주파에서 매칭 네트워크의 동작에 주의하십시오; 자체 공진(아래 참조) 외에도 매칭 네트워크의 대역폭이 FMCW 첩파 레이더에 대해 일부 문제를 일으킬 수 있습니다. 77 GHz에서는 첩 범위가 4 GHz에 이를 수 있으므로 대역폭은 73에서 81 GHz까지 상대적으로 평탄해야 합니다.

IC 및 개별 구성 요소에서 RF 증폭기

원하는 IC가 요구 사항을 충족시키지 못하고 개별 구성 요소에서 맞춤형 증폭기를 설계해야 하는 경우, 여러 가지 이유로 RF 주파수에서 더 어려운 시간을 가질 것입니다. 고출력에서 이러한 증폭기의 비선형 응답 외에도 실제 레이아웃은 구성 요소 간의 임피던스 불일치로 인해 신호 무결성 문제를 일으킬 수 있습니다. 다양한 구성 요소의 임피던스 특성으로 인해 증폭기 설계 전체에서 임피던스를 일치시킬 수 없을 수 있습니다. 이는 mmWave 주파수의 매우 짧은 파장 때문입니다.

레이아웃 포인트에 들어가기 전에, 먼저 부품 선택에 대해 살펴보겠습니다. GaN 기반의 부품은 10-100 GHz(예: 5G 또는 기타 mmWave 애플리케이션)의 주파수를 포괄하는 RF 설계의 신흥 분야에 가장 적합합니다. 낮은 GHz 주파수에서는 GaAs 공정 기반의 부품이 최선의 선택입니다. 매칭을 위해 사용하는 모든 커패시터와 인덕터는 일정한 자체 공진 주파수를 가지고 있으므로, 이러한 회로를 구축할 때는 충분히 높은 자체 공진 주파수를 가진 수동 부품을 선택해야 합니다.

마이크로파 주파수에서는 신호 파장이 cm 단위입니다(예: 5 GHz에서 자유 공간에서 6 cm), 따라서 부품 간의 트레이스가 충분히 짧다면 임피던스 불일치를 피할 수 있을 것입니다. mmWave 주파수에서는, 부품을 가능한 한 가깝게 배치하더라도 모든 트레이스가 긴 전송선처럼 작동할 가능성이 훨씬 더 높습니다. 부품 간에 불일치가 있으면, 원하는 기본 주파수나 하나 이상의 고차 하모닉에서 트레이스를 따라 정재파가 형성될 수 있습니다. 이런 일이 발생하면, 트레이스가 안테나처럼 작동하기 시작하고 강하게 방사할 것입니다.

이 상황에서, 전송선 구조인 공평파 도파관 같은 것은 표면층에 구리를 위한 필요한 공간 때문에 구현하기 어려울 것이며, 신호 무결성을 보장하기 위해 보드의 증폭기 부분을 분리해야 할 것입니다. 표면층 아래의 접지면에서 디지털과 아날로그 접지 부분을 분리하는 최선의 방법을 따르십시오. 고층수의 다층 보드에서는, Rick Hartley(이 오래된 프레젠테이션에서 55번 슬라이드를 보십시오)는 신호층 사이에 충분한 차폐와 격리를 제공하기 위해 격층마다 접지면을 배치할 것을 권장합니다. 또한 다양한 RF 섹션 주변에 구리 푸어를 배치하고 비아로 접지해야 합니다.

표면층에 흩어져 있는 비아들을 주목하십시오

비아 간격을 정하고 구리 푸어의 두께를 조절하여 최저 차수 공진 주파수를 작업 중인 RF 주파수보다 높게 이동시키는 몇 가지 최선의 방법을 반드시 따르십시오. 비아 스텁 공진과 제조 중 백드릴링으로 인한 두통을 줄이기 위해, 구리 푸어를 접지하기 위해 관통 비아를 사용할 수 있습니다. 가장 극단적인 경우에는, 차폐 캔을 사용하여 RF 섹션을 격리할 수 있습니다.

RF 증폭기 임피던스 매칭은 특히 결정적으로 비선형인 전력 증폭기와 관련하여 어려운 과제가 될 수 있습니다. Altium Designer의 레이아웃, 시뮬레이션 및 신호 무결성 분석 기능은 RF 증폭기 회로에 대한 최적의 회로 설계 및 레이아웃 선택을 결정하고 보드에서 임피던스를 제어하는 데 도움이 될 수 있습니다.

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