RF 전력 증폭기 모듈 PCB 설계

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RF 전력 증폭기는 모든 무선 제품에서 찾아볼 수 있으며, 종종 칩셋이나 모뎀에 내장되어 있습니다. 그러나 일부 특수 시스템에서는 특정 주파수에서 더 높은 출력 전력이 필요할 수 있으며, 이를 위해서는 별도의 증폭기 회로가 그 전력을 제공해야 합니다. 이러한 시스템은 외부 발진기를 취하여 고출력 신호를 제공하거나, 필요한 신호를 생성하기 위해 로컬 발진기를 사용하여 증폭기로 공급할 수 있습니다.

이 예제 프로젝트에서는 약 10 dB 이상의 고출력을 가진 6 GHz 범위에서 작동하는 전력 증폭기 모듈을 설계하는 방법을 보여드리겠습니다. 여기서 보여드릴 모듈은 +13 dB 이득으로 신호를 증폭하여 SMA 커넥터로 신호를 전달함으로써 고출력을 제공합니다. 이 모듈은 완전히 독립적으로 설계되었으며; 단순히 전력을 적용하면 출력 포트에서 고주파 신호를 얻을 수 있습니다!

6 GHz 범위에서 작동하는 시스템의 전력 증폭기 설계 및 레이아웃에 대해 자세히 알아보려면 아래 재생 목록을 시청하세요.

우리의 전력 증폭기 PCB 모듈

이 예에서 사용할 전력 증폭기 구성 요소는 Hittite Microwave(현재 Analog Devices)의 HMC637ALP5E입니다. 이 부품은 매우 높은 이득과 포화 수준(IP3 포인트 및 -1 dB 압축 측면에서), 그리고 낮은 반사 손실 및 간단한 레이아웃 요구 사항을 가지고 있습니다. 설계는 QFN 패키지에 있지만, 대부분의 핀은 접지 또는 NC입니다.

이 설계에서 신호 소스는 전압 제어 발진기(VCO)가 될 것입니다. 이러한 구성 요소들도 회로도와 회로에서 작업하기 매우 간단합니다. PCB 레이아웃의 경우, 임피던스 제어와 격리에 대한 몇 가지 중요한 고려 사항이 필요하지만, 출력은 직접 전력 증폭기에 공급될 수 있습니다. 이 VCO의 전력 출력을 고려할 때, 증폭기는 선형 범위에서 매우 안정적으로 작동할 것이므로, 우리는 최소한의 고조파 생성을 예상할 것입니다.

또한, 우리는 두 개의 중요한 전력 회로와 일부 부수적인 구성 요소를 가질 것입니다:

• 12V에서 5V 시스템 전력 조절기(TPS562201DDCR)
• 게이트 전압을 제공하는 이중 레일 조절기(LM27762DSSR)

전력 증폭기 회로

이 예제 모듈의 전력 증폭기는 전력을 위해 두 개의 게이트 전압과 주요 드레인 전압이 필요합니다. 응답 범위는 DC부터 약 6GHz까지 매우 넓습니다. 전력 증폭기의 응답 범위는 데이터시트에서 최대 6GHz로 나열되어 있지만, 데이터시트의 2페이지부터 3페이지까지 모든 그래프를 살펴보면 응답이 대략 8GHz까지 일관되게 나타납니다. 따라서 우리는 아마도 6GHz를 약간 넘게 운영할 수 있으며 시스템은 잘 작동할 것입니다.

스키매틱스에 표시된 전력 증폭기 회로는 아래와 같습니다. 우리의 구성 요소에 대한 데이터시트에 명시된 대로 RFIN과 RFOUT 라인에 AC 결합이 있습니다.

증폭기에 적용되는 게이트 전압은 PCB 상의 핀 헤더 세트를 통해 제공됩니다. 여기서의 아이디어는 필요한 경우 헤더 중 하나를 분리하고 외부 벤치 전원 공급 장치에 연결할 수 있도록 하는 것입니다. 이를 통해 증폭기의 전원 켜기 순서를 수동으로 적용할 수도 있습니다. HMC637ALP5E 데이터시트의 전원 켜기 절차를 참조하십시오.

VCO, 증폭기 응답 및 그 조정 전압

이 보드의 VCO는 부품 번호가 HMC358MS8GE입니다. 이 구성 요소는 매우 간단한 사용법을 가지고 있으며, VTUNE 핀에 적용된 DC 조정 전압으로 출력을 조정할 수 있습니다. 출력 범위는 5.8 GHz에서 6.8 GHz까지입니다. VCO 회로는 아래에 나와 있습니다.

VTUNE 핀에 3V 전원 연결이 이 VCO에 적용되면, 출력 핀에서 6.3 GHz 신호를 생성합니다. HMC637ALP5E 데이터시트에서, 6 GHz의 명시된 컷오프에도 불구하고 6.3 GHz에서 증폭기로부터 일관된 반응을 기대할 수 있다는 점에 유의하세요. 따라서, 이 설계의 초기 리비전에서는 VTUNE에 직접 3V 연결을 유지할 것입니다. 기사의 끝에서, 조정 전압을 조절할 수 있는 몇 가지 방법을 개요로 설명했습니다.

바이어스 티

전력 증폭기에는 바이어스 티 회로를 사용하여 VDD 전원이 제공됩니다. 단일 커패시터와 인덕터만을 사용하는 바이어스 티는 두 가지 요구 사항을 충족하도록 쉽게 설계될 수 있습니다:

• AC 신호를 통과시키기 위해 필요한 최소한의 용량이 있을 것입니다
• DC 경로와 AC 경로 사이에는 DC 소스의 격리 수준을 결정하는 임피던스 비율이 있을 것입니다
• DC 측에서 더 높은 격리 임피던스가 필요할 때 인덕턴스는 더 커져야 합니다

제가 사용한 바이어스 티 회로는 아래에 나와 있습니다.

6.3 GHz의 VCO 출력에서, 이 바이어스 티는 대략 43:1의 임피던스 비율을 가질 것입니다. 과거에 저는 1:1의 임피던스 비율로도 잘 작동하는 다른 전력 증폭기와 바이어스 티를 사용한 적이 있습니다. 하지만, 이 바이어스 티가 핀 헤더에 다시 연결되기 때문에, 핀 중 하나에서 일부 신호가 강하게 방사될 것을 걱정하게 됩니다. 따라서, 목표가 부하를 통한 최대 전력 전달이라면, 커패시터를 줄이거나 인덕터를 늘려야 할 수도 있지만, 이는 바이어스 티의 통과대역을 변경할 수 있습니다. 바이어스 티의 대역폭/통과대역은 증폭기의 작동 주파수에서 DC 차단 및 전력 전달을 위해 확인해야 합니다.

다른 기사에서 바이어스 티 설계의 구체적인 사항을 다루었고, 이 기사에서는 이 바이어스 티의 시뮬레이션을 다루며 현재 바이어스 티의 전력 전달과 50 옴 부하에 최대 전력을 전달하는 최적화된 바이어스 티를 보여줍니다.

스택업 및 PCB 레이아웃

이 보드는 RF 라인에 대한 동축 라우팅이 있는 4층 스택업에 배치될 것입니다. 4층 스택업을 사용하면 표면층 아래에 접지를 둘 수 있습니다. 이 보드는 PCB의 상단층에 필요한 모든 구성 요소를 배치하며 RF 인터커넥트 라우팅도 포함됩니다. 하단층은 전력 레일 라우팅에 사용할 수 있고, 내부층은 GND가 될 것입니다. 이러한 유형의 스택업과 라우팅은 기생 감소를 통해 RF 섹션과 전력 조절기 섹션 사이의 최대 격리를 보장할 것입니다.

여기서 사용되는 재료 시스템은 낮은 Dk의 FR4이며, 이 사양을 충족할 수 있는 예시 브랜드 이름으로는 Isola 370HR 또는 ITEQ가 있습니다. 연결 길이가 비교적 짧은 이러한 유형의 설계에서는 과도한 손실이 발생하지 않으므로 Rogers와 같은 저손실 재료가 필요하지 않습니다.

이 모듈의 PCB 레이아웃은 전력 회로와 RF 회로 사이에 분할이 필요합니다. 특히, 주요 12V에서 5V로의 스위칭 레귤레이터는 상당한 공간을 차지할 것입니다. 작은 보드 크기로 인해, 스위칭 요소는 이 보드의 초기 플로어 플랜에서 RF 라인으로부터 멀리 유지되어야 합니다. 초기에 배치를 적용할 지역은 아래에 표시되어 있습니다.

위의 플로어플랜은 세 가지를 수행합니다:

• L2에서 접지를 활용함으로써, 우리는 전력 레귤레이터 주변에서 탁월한 노이즈 제어를 가집니다
• RF 라인과 핀 헤더용 구성 요소 주변에 충분한 공간을 남깁니다
• VCO에서 증폭기 및 출력 SMA 커넥터(J1)까지 직선 경로를 남깁니다

전력 레귤레이터 회로의 배치와 레이아웃은 기본적이므로, 이 글에서 반복하지 않겠습니다. 전원 공급 장치 레이아웃 및 스위칭 레귤레이터 레이아웃에 대한 모범 사례는 이 링크에서 더 읽을 수 있습니다.

RF 라우팅 섹션은 아래에 표시되어 있습니다. 위의 스택업에서 보여진 임피던스 프로파일은 RF 네트워크의 디자인 규칙으로 사용되었으며, 이 설정은 위에 링크된 비디오에서 설명되어 있습니다. 6GHz 신호가 인터커넥트를 따라 최소한의 누설로 유지될 수 있도록 RF 네트워크에 차폐를 추가했습니다. 이들 비아 사이의 간격은 다소 공격적입니다; 홀 벽에서 홀 벽까지의 간격은 단 12mil로, 제작소에서 일반적으로 지정하는 최소 8 또는 10mil에 가깝습니다.

완성된 레이아웃은 아래에 표시되어 있습니다. 스위칭 노이즈가 상층에서 공진하는 것을 방지하기 위해 고주파 차단이 있는 스티칭 비아가 추가되었습니다. 마지막으로, 전원을 켤 때 도움이 되도록 핀 헤더에 로고와 전압 지시기를 일부 실크스크린으로 추가했습니다.

이 디자인을 개선하는 방법

이 디자인은 고정된 주파수에서 광대역 증폭기로 출력되는 것으로 작동합니다. 원한다면, VTUNE 핀에서 전압을 조정할 수 있는 기능을 구현하여 디자인에 조정 가능한 출력 전압을 포함시킬 수 있습니다. 테스트 후에는 다른 개선 사항이 적절할 수 있습니다. 몇 가지 옵션이 있습니다:

1. 필요한 경우, 바이어스 티 인덕터를 10배에서 100배 더 큰 값으로 교체하여 출력에서의 임피던스 비율을 증가시킬 수 있지만, 원하는 대역폭에 미치는 영향에 주의하세요.
2. VTUNE 핀에 전압 분배기로서 가변 저항을 사용하세요.
3. VTUNE 핀의 전압을 조정하기 위해 DAC 또는 조절 가능한 레귤레이터를 사용하세요; 이는 외부 MCU 모듈(예: 우리의 nRF52 모듈)에 추가적인 핀 헤더가 필요하게 됩니다.
4. 튜닝을 위해 외부 전압원을 사용할 수 있도록 핀 헤더를 추가하세요.
5. C6 및 SMA 커넥터의 큰 패드로 들어가거나 나올 때 부드러운 전환을 위해 테이퍼를 추가하는 것을 고려하세요; SMA에서는 약간의 불일치가 발생할 수 있어 테이퍼가 필요할 수 있습니다 보상을 위해.
6. 5번 항목을 계속하여, 임피던스 목표를 달성하기 위해 비아 펜스가 있는 CPW에 대한 시뮬레이션을 수행하세요.
7. SMAs는 하단 핀과의 작은 간격으로도 작동하지만, 보드를 두껍게 하는 것이 더 바람직합니다; 제조업체는 이를 위한 스택업을 제공할 수 있습니다.

예를 들어, 출력 신호를 전력 증폭기의 정격 최대 주파수인 6 GHz로 되돌리고 싶다면 이 방법이 매우 유용할 수 있습니다. 위에서 언급했듯이, VTUNE 핀을 접지하여 VCO의 출력을 영구적으로 5.8 GHz로 설정할 수도 있습니다.

마지막으로, 안테나에 접근하기 위해, 우리는 뒷면 층에 패치 안테나를 추가하고 비아를 통해 안테나에 프로브 결합 연결을 추가할 수 있습니다. 보드 뒷면에 프로브 급전 패치 안테나에 비아를 배치하는 것은 매우 간단합니다. 그러나 뒷면 층의 전력 라우팅 때문에, 이를 수행하는 가장 쉬운 방법은 스택업을 6층 PCB로 변경하는 것입니다.

이 링크를 따라가면 프로젝트 소스 파일이 포함된 ZIP 아카이브를 다운로드할 수 있습니다. 위에 있는 임베드의 다운로드 링크를 사용하여 소스 파일에 접근할 수도 있습니다.

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