Dopasowanie impedancji wzmacniacza mocy RF w zakresie częstotliwości mikrofalowych i milimetrowych

Według MarketWatch, całkowity rynek wzmacniaczy RF ma przekroczyć 27 miliardów dolarów do 2023 roku. Skąd więc bierze się całe to zapotrzebowanie na wzmacniacze RF? Można podziękować 5G i ogólnemu rozwojowi sieci komórkowych za znaczną część spodziewanego wzrostu. Dla projektantów PCB, dopasowanie impedancji wzmacniacza RF staje się ważnym punktem projektowym, szczególnie w przypadku wzmacniaczy o wysokiej mocy.

Dopasowanie impedancji wzmacniaczy RF o dużym sygnale

Osoby zajmujące się integralnością mocy RF prawdopodobnie znają potrzebę dobrych regulatorów napięcia w urządzeniach mobilnych, aby tłumić sygnały przejściowe przez wyjście wzmacniacza, szczególnie przy pracy z pulsacyjnymi wzmacniaczami mocy RF. Specjaliści od integralności sygnału, którzy mogą teraz zacząć pracować z projektowaniem RF, prawdopodobnie są przyzwyczajeni do pracy z parametrami S na niskich poziomach sygnału podczas analizowania swoich obwodów RF i określania odpowiedniego dopasowania impedancji. Użycie parametrów S nie jest odpowiednie w projektowaniu wzmacniaczy RF klasy AB i klasy C, ponieważ te wzmacniacze działają w sposób niejednoliny.

W kwestii transferu mocy przy niskich poziomach sygnału (czyli w reżimie liniowym), maksymalny transfer mocy jest zapewniony, gdy impedancja obciążenia jest dopasowana do zespolonego sprzężenia impedancji wyjściowej wzmacniacza. Jednak wzmacniacz mocy (zazwyczaj umieszczony w sekcji nadawczej RF) może zapewnić wyższe wzmocnienie i wydajność przy nominalnej mocy wyjściowej, jeśli występuje celowe niedopasowanie impedancji.

Przy pracy z wysoką mocą wyjściową, dopasowanie/niedopasowanie impedancji wyjściowej wzmacniacza do impedancji obciążenia, które generuje maksymalny transfer mocy do obciążenia, może nie pokrywać się z dopasowaniem/niedopasowaniem, które generuje maksymalną wydajność przy pożądanej częstotliwości (jest to z pewnością prawdziwe dla komponentów rezystancyjnych). Więc jak można określić właściwą dopasowaną impedancję przy obciążeniu, aby zapewnić najlepszą wydajność? Ponieważ impedancja widziana przez źródło zależy od poziomów mocy wejściowej i wyjściowej wzmacniacza, będziesz musiał użyć analizy obciążenia, aby określić odpowiednią impedancję widzianą przez wyjście wzmacniacza. Następnie musisz dopasować impedancję obciążenia do tej wartości.

Istnieje dość prosty sposób na przeprowadzenie analizy obciążenia z użyciem symulatora i wykresu Smitha. Polega on na iteracyjnym przeglądaniu dużej liczby wartości impedancji obciążenia (pamiętaj, że impedancja to suma oporu i reaktancji) przy określonej mocy wejściowej. Następnie sondowana jest prąd/wyjście napięcia dla każdej kombinacji oporu obciążenia i reaktancji, co pozwala również na obliczenie wzmocnienia i sprawności. Następnie wykreśla się kontury mocy wyjściowej jako funkcję impedancji obciążenia przy danej mocy wejściowej.

To pokazano na poniższym wykresie Smitha: każdy kontur pokazuje zestaw wartości oporu i reaktancji, które generują określoną moc wyjściową (zielony) i sprawność (niebieski). Czerwony kontur pokazuje region, gdzie te dwa zestawy krzywych się nakładają. Można wtedy określić kompromis między mocą wyjściową a sprawnością dla określonych mocy wyjściowych, gdzie kontury się przecinają. Zauważ, że przy innej mocy wejściowej wygenerujesz inny zestaw konturów.

Przykładowy wykres Smitha z wynikami analizy obciążenia dla dopasowania impedancji wzmacniacza RF [Źródło]

Połączenie reaktancji i oporu, które ustalisz na podstawie wyników pomiarów obciążenia, wskaże Ci, którą sieć dopasowującą powinieneś użyć, aby ustawić impedancję obciążenia. Następnie możesz to zweryfikować za pomocą pomiarów analizatorem sieci wektorowych z użyciem testowego kuponu. Zwróć uwagę na zachowanie się Twojej sieci dopasowującej przy wysokich częstotliwościach; oprócz rezonansu własnego (patrz poniżej), pasmo przenoszenia Twojej sieci dopasowującej może stworzyć pewne problemy dla radaru FMCW z modulacją częstotliwości. Zauważ, że przy 77 GHz, zakres chirpu może osiągnąć 4 GHz, więc Twoje pasmo powinno być stosunkowo płaskie od 73 do 81 GHz.

Wzmacniacz RF z układów scalonych i komponentów dyskretnych

Jeśli wybrany przez Ciebie układ scalony nie spełni Twoich wymagań i musisz zaprojektować niestandardowy wzmacniacz z komponentów dyskretnych, napotkasz większe trudności na częstotliwościach RF z kilku powodów. Oprócz nieliniowej odpowiedzi tych wzmacniaczy przy wysokiej mocy, rzeczywisty układ może stwarzać problemy z integralnością sygnału z powodu niedopasowania impedancji między komponentami. Ze względu na charakterystykę impedancji różnych komponentów, może nie być możliwe dopasowanie impedancji na całej długości projektu wzmacniacza. Wynika to z bardzo krótkich długości fal częstotliwości mmWave (patrz poniżej).

Zanim przejdziemy do niektórych punktów dotyczących układu, przyjrzyjmy się wyborowi komponentów. Komponenty oparte na GaN są najlepsze dla wschodzących obszarów projektowania RF, gdzie częstotliwości mieszczą się w zakresie 10-100 GHz (np. 5G lub inne aplikacje mmWave). Przy niższych częstotliwościach GHz, najlepszym wyborem są komponenty oparte na procesie GaAs. Wszelkie używane kondensatory i cewki do dopasowania będą miały pewną częstotliwość rezonansu własnego; upewnij się, że wybierasz pasywne komponenty z wystarczająco wysoką częstotliwością rezonansu własnego, budując jeden z tych obwodów.

Przy częstotliwościach mikrofalowych, długości fali sygnału są rzędu cm (np. 6 cm w próżni przy 5 GHz), więc prawdopodobnie możesz zignorować niedopasowania impedancji, gdy ścieżki między komponentami są wystarczająco krótkie. Przy częstotliwościach mmWave, dużo bardziej prawdopodobne jest, że każda ścieżka będzie działać jak długa linia transmisyjna, nawet jeśli rozmieścisz swoje komponenty w swoim niestandardowym wzmacniaczu RF jak najbliżej siebie. Jeśli występuje niedopasowanie między komponentami, wzdłuż ścieżki mogą tworzyć się fale stojące, zarówno na pożądanej podstawowej częstotliwości, jak i na jednej lub większej liczbie harmonicznych wyższego rzędu. Kiedy to się stanie, twoje ścieżki zaczną działać jak anteny i będą silnie promieniować.

W tej sytuacji architektura linii transmisyjnej, jak przewodniki koplanarne, będzie trudna do zaimplementowania ze względu na potrzebną powierzchnię dla miedzi na warstwie powierzchniowej, i będziesz musiał izolować część wzmacniacza na płytce, aby zapewnić integralność sygnału. Postępuj zgodnie z najlepszymi praktykami oddzielania cyfrowych i analogowych sekcji masy w płaszczyźnie masy poniżej warstwy powierzchniowej. W wielowarstwowych płytach z dużą liczbą warstw, Rick Hartley (zobacz slajd 55 w tej starszej prezentacji) zaleca umieszczanie płaszczyzn masy na co drugiej warstwie, aby zapewnić wystarczającą osłonę i izolację między warstwami sygnałowymi. Powinieneś również umieścić pole miedzi wokół różnych sekcji RF i uziemić je za pomocą przelotek.

Zwróć uwagę na przelotki rozrzucone na warstwie powierzchniowej

Upewnij się, że stosujesz się do najlepszych praktyk dotyczących odstępów między przelotkami i grubości pola miedzi, aby przesunąć najniższą częstotliwość rezonansową powyżej częstotliwości RF, z którą pracujesz. Aby zaoszczędzić sobie problemów z rezonansem trzonu przelotki i wierceniem zwrotnym podczas produkcji, możesz po prostu użyć przelotek na wylot do uziemienia pola miedzi. W najbardziej ekstremalnych przypadkach możesz użyć puszki ekranującej do izolacji sekcji RF.

Dopasowanie impedancji wzmacniacza RF może być trudnym zadaniem, szczególnie w przypadku wzmacniaczy mocy, które są zdecydowanie nieliniowe. Funkcje układu, symulacji i analizy integralności sygnału w Altium Designer mogą pomóc Ci określić najlepsze wybory projektowe i układu dla Twoich obwodów wzmacniacza RF oraz kontrolować impedancję na Twojej płytce.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.