Projektowanie PCB modułu wzmacniacza mocy RF

Kliknij tutaj, aby przejść do osadzonej przeglądarki i przeglądać ten projekt

Wzmacniacze mocy RF można znaleźć w każdym produkcie bezprzewodowym, często wbudowanym w chipsety lub modemy. Jednakże w niektórych specjalistycznych systemach może być potrzebna większa moc wyjściowa przy określonej częstotliwości, a to wymaga dyskretnego obwodu wzmacniacza, aby zapewnić tę moc. Systemy te mogą wykorzystywać zewnętrzny oscylator i wzmacniać go, aby zapewnić sygnał o dużej mocy, lub można wykorzystać lokalny oscylator do wygenerowania wymaganego sygnału, który zostanie wprowadzony do wzmacniacza.

W tym przykładowym projekcie pokażę jak zaprojektować moduł wzmacniacza mocy pracujący w paśmie 6 GHz z dużą mocą wyjściową (powyżej około 10 dB). Moduł, który tu pokażę, zapewnia dużą moc wyjściową poprzez wzmocnienie sygnału o wzmocnieniu +13 dB, a następnie sygnał jest przekazywany na złącze SMA. Moduł ma być całkowicie samodzielny; po prostu podłącz zasilanie, a na porcie wyjściowym otrzymasz sygnał o wysokiej częstotliwości!

Obejrzyj poniższą playlistę, aby dowiedzieć się więcej o projektowaniu i układzie wzmacniacza mocy dla systemów działających w paśmie 6 GHz.

Nasz moduł PCB wzmacniacza mocy

Elementem wzmacniacza mocy, którego użyjemy w tym przykładzie, jest HMC637ALP5E firmy Hittite Microwave (obecnie Analog Devices). Ta część ma bardzo wysoki poziom wzmocnienia i nasycenia (pod względem punktu IP3 i kompresji -1 dB), a także niskie straty odbiciowe i proste wymagania dotyczące układu. Konstrukcja jest w pakiecie QFN, ale większość pinów jest uziemiona lub NC.

Źródłem sygnału w tym projekcie będzie oscylator sterowany napięciem (VCO). Te komponenty są również bardzo proste w obsłudze w schematach i obwodach. Dla układu PCB wymagają jednak pewnych ważnych rozważań dotyczących kontroli impedancji i izolacji, ale wyjście można bezpośrednio podać do wzmacniacza mocy. Biorąc pod uwagę moc wyjściową tego VCO, wzmacniacz będzie pracował bardzo stabilnie w zakresie liniowym, więc można oczekiwać minimalnej generacji harmonicznych.

Dodatkowo będziemy mieli dwa ważne obwody zasilające i kilka komponentów pomocniczych:

• Regulator mocy systemu z 12V na 5V (TPS562201DDCR)
• Regulator podwójnego szynowania do dostarczania napięć bramkowych (LM27762DSSR)

Obwód wzmacniacza mocy

Wzmacniacz mocy w tym przykładowym module wymaga dwóch napięć bramkowych oraz głównego napięcia drenu do zasilania. Zakres odpowiedzi jest bardzo szeroki, od DC do około 6 GHz. Zakres odpowiedzi wzmacniacza mocy jest określony w karcie katalogowej jako maksymalnie 6 GHz, ale jeśli przyjrzysz się wszystkim wykresom od strony 2 do 3 w karcie katalogowej, zobaczysz, że odpowiedź jest spójna aż do około 8 GHz. Dlatego możemy prawdopodobnie pracować nieco powyżej 6 GHz, a system będzie działał poprawnie.

Układ wzmacniacza mocy w schematach jest pokazany poniżej. Mamy sprzężenie AC na liniach RFIN i RFOUT, zgodnie z danymi w kartach katalogowych naszych komponentów.

Napięcia bramkowe stosowane do wzmacniacza są dostarczane przez zestaw złącz pinowych na PCB. Pomysł polega na tym, aby móc odłączyć jedno z złącz i podłączyć do zewnętrznego zasilacza laboratoryjnego, jeśli jest to potrzebne. Pozwala to również na ręczne zastosowanie sekwencji uruchamiania wzmacniacza. Zobacz stronę karty katalogowej HMC637ALP5E dotyczącą procedury uruchamiania.

VCO, Odpowiedź Wzmacniacza i jego Napięcie Dostrojenia

VCO na tej płytce to część o numerze HMC358MS8GE. Ten komponent jest bardzo prosty w użyciu, a jego wyjście można regulować za pomocą napięcia strojenia DC podanego na pin VTUNE. Zakres wyjściowy wynosi od 5,8 GHz do 6,8 GHz. Poniżej przedstawiono schemat obwodu VCO.

Podłączenie zasilania 3 V do tego VCO na pinie VTUNE powoduje, że oscylator produkuje sygnał 6,3 GHz na pinie wyjściowym. Należy zauważyć, że z karty katalogowej HMC637ALP5E wynika, iż możemy oczekiwać stałej odpowiedzi wzmacniacza na częstotliwości 6,3 GHz, pomimo deklarowanego progu odcięcia na poziomie 6 GHz. Dlatego, w początkowej wersji tego projektu, pozostaniemy przy bezpośrednim połączeniu 3V do VTUNE. Na końcu artykułu przedstawiłem kilka sposobów, dzięki którym napięcie strojenia mogłoby być regulowane.

Układ Bias Tee

Zasilanie VDD do wzmacniacza mocy jest dostarczane za pomocą układu bias tee. Bias tee, który używa tylko jednego kondensatora i cewki, może być łatwo zaprojektowany tak, aby spełniał dwa wymagania:

• Będzie wymagana pewna minimalna pojemność, aby przepuścić sygnał AC
• Będzie istniał pewien stosunek impedancji między ścieżką DC a ścieżką AC, który określa poziom izolacji od źródła DC
• Indukcyjność będzie musiała być większa, gdy wymagana jest wyższa impedancja izolacji po stronie DC

Układ bias tee, którego użyłem, jest pokazany poniżej.

Na wyjściu VCO o częstotliwości 6,3 GHz, ten bias tee będzie miał stosunek impedancji około 43:1. W przeszłości używałem innego wzmacniacza mocy z bias tee, który działał bez problemu nawet przy stosunku impedancji 1:1. Jednakże, ponieważ ten bias tee jest podłączony z powrotem do złącza pinowego, obawiałbym się, że część sygnału może silnie promieniować z jednego z pinów. Dlatego, jeśli twoim celem jest maksymalne przeniesienie mocy do obciążenia, możesz stwierdzić, że kondensator musi być zmniejszony lub induktor musi być zwiększony, ale może to zmienić pasmo przenoszenia bias tee. Pasmo/przepustowość bias tee powinna być sprawdzona pod kątem blokowania DC i dostarczania mocy na częstotliwości pracy wzmacniacza.

Omówiłem szczegóły projektowania układu bias tee w innym artykule, w tym artykule zajmuję się symulacjami tego układu bias tee i pokazuję dostarczanie mocy przy obecnym układzie bias tee, jak również zoptymalizowany układ bias tee, który zapewnia maksymalne dostarczanie mocy do obciążenia 50 omów.

Układ warstw i projekt PCB

Ta płyta zostanie umieszczona na  4-warstwowym układzie z koplanarnym trasowaniem linii RF. Użycie układu 4-warstwowego pozwala mi umieścić masę poniżej warstwy powierzchniowej. Ta płyta będzie miała wszystkie wymagane komponenty umieszczone na górnej warstwie PCB, jak również trasowanie połączeń RF. Dolna warstwa może być używana do trasowania szyn zasilających, a warstwy wewnętrzne będą GND. Taki układ warstw i trasowanie zapewni maksymalną izolację między sekcją RF a sekcją regulatora mocy poprzez redukcję pasożytniczą.

System materiałowy używany tutaj to FR4 o niskim Dk; przykładowe nazwy marek, które mogą spełniać te specyfikacje, to Isola 370HR lub ITEQ. Należy zauważyć, że dla tego typu projektu, gdzie długość połączeń jest stosunkowo krótka, nie będzie nadmiernych strat i nie potrzebujemy materiału o niskich stratach, jak Rogers.

Układ PCB dla tego modułu wymaga segmentacji między obwodami zasilającymi a obwodami RF. W szczególności, główny przetwornik przełączający z 12V na 5V zajmie sporo miejsca. Przy małym rozmiarze płytki, wszelkie elementy przełączające powinny być trzymane z dala od linii RF w początkowym planie rozmieszczenia elementów na tej płytce. Początkowe regiony, w których zastosuję rozmieszczenie, są pokazane poniżej.

Plan rozmieszczenia powyżej robi trzy rzeczy:

• Wykorzystując masę na L2, mamy doskonałą kontrolę nad szumami wokół regulatorów mocy
• Zostawia wystarczająco dużo miejsca wokół linii RF i komponentów dla złączy pinowych
• Zostawia prostą ścieżkę od VCO do wzmacniacza i zewnętrznego złącza SMA (J1)

Rozmieszczenie i układ dla obwodów regulatora mocy jest podstawowy, więc nie będę tego powtarzać w tym artykule. Możesz przeczytać więcej o najlepszych praktykach układu zasilania i układu przetwornika przełączającego pod tym linkiem.

Sekcja trasowania RF jest pokazana poniżej. Profil impedancji pokazany w układzie warstw powyżej został użyty jako reguła projektowa dla sieci RF; to ustawienie jest omówione w powiązanym wideo powyżej. Dodałem ekranowanie do sieci RF, aby sygnał 6 GHz mógł być zawarty wzdłuż połączenia z minimalnym wyciekiem. Odległość między tymi przelotkami jest dość agresywna; odległość ścianka otworu do ścianki otworu wynosi tylko 12 mil, co jest blisko typowego minimalnego 8 lub 10 mil, które zwykle byłoby określone przez zakład produkcyjny.

Ukończony układ jest pokazany poniżej. Dodano przelotki zszywające z wysoką częstotliwością odcięcia, aby zapobiec rezonowaniu szumów przełączania w górnej warstwie. Na koniec dodałem trochę sitodruku z logo i wskaźnikami napięcia na złączach pinowych, aby pomóc w procedurze uruchamiania.

Jak Ulepszyć Ten Projekt

Ten projekt działa na stałej częstotliwości, która jest wprowadzana do szerokopasmowego wzmacniacza. Gdybyśmy chcieli, moglibyśmy zmodyfikować projekt, aby zawierał regulowaną napięcie wyjściowe, implementując możliwość dostosowania napięcia na pinie VTUNE. Po testach mogą być odpowiednie inne ulepszenia. Istnieje kilka opcji:

1. W razie potrzeby, dławik w układzie bias tee można by było zamienić na wartość 10x-100x większą, aby zwiększyć stosunek impedancji na wyjściu, ale należy uważać na wpływ na pożądaną szerokość pasma.
2. Użyj potencjometru w dzielniku napięcia na pinie VTUNE.
3. Użyj DAC-a lub regulowanego regulatora do dostosowania napięcia na pinie VTUNE; wymagałoby to dodatkowego złącza pin do zewnętrznego modułu MCU (takiego jak nasz moduł nRF52).
4. Dodaj złącze pin, aby można było użyć zewnętrznego źródła napięcia do strojenia.
5. Rozważ dodanie zwężenia do/wyjścia z większych padów na C6 i złączach SMA dla płynnych przejść; na złączach SMA może wystąpić niewielka niedopasowanie, które wymagałoby zwężenia do kompensacji.
6. Kontynuując punkt #5, wykonaj symulację CPW z ogrodzeniem przez via, aby upewnić się, że cel impedancji jest osiągnięty.
7. Chociaż złącza SMA będą działać z małą szczeliną do dolnych pinów, zwiększenie grubości płytki jest preferowane; producent mógłby zapewnić układ warstw, który to umożliwi.

To może być bardzo przydatne, jeśli na przykład chciałbyś doprowadzić sygnał wyjściowy z powrotem do maksymalnej ocenionej częstotliwości wzmacniacza mocy wynoszącej 6 GHz. Jak wspomniałem powyżej, można również po prostu uziemić pin VTUNE, aby na stałe ustawić wyjście VCO na 5,8 GHz.

Ostatecznie, aby uzyskać dostęp do anteny, moglibyśmy dodać antenę łatową na dolnej warstwie i dodać połączenie sprzęgane sondą z anteną przez przelotkę. Umieszczenie przelotki do anteny łatowej zasilanej sondą na tylnej stronie płytki byłoby dość proste. Jednakże, ze względu na trasowanie zasilania na dolnej warstwie, najłatwiejszym sposobem na osiągnięcie tego jest zmiana układu warstw na PCB 6-warstwowe.

Kliknij ten link, aby pobrać archiwum ZIP z plikami źródłowymi projektu. Możesz również użyć linku do pobrania w powyższym osadzeniu, aby uzyskać dostęp do plików źródłowych.

Kiedykolwiek potrzebujesz stworzyć skomplikowane systemy RF z wzmacniaczem mocy lub VCO, użyj narzędzi CAD 2D i 3D w Altium Designer®. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał udostępnić pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i dzielenie się projektami.

Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.