Como Projetar um Bias Tee para um Amplificador de Potência

Os divisores de polarização RF são usados para separar a potência DC e AC ao longo de uma interconexão. É um dispositivo de 2 entradas e 1 saída que usa elementos reativos para fornecer um fluxo de potência em diferentes direções. Em um projeto anterior com um layout de amplificador de potência RF, há um divisor de polarização no design que é usado para fornecer energia DC ao amplificador enquanto também permite que a potência RF se propague em direção ao conector SMA de saída.

Neste artigo, vou delinear como projetar este circuito e quais são os parâmetros importantes para garantir uma alta propagação de potência para o seu componente de carga. Esses dispositivos estão disponíveis tanto como módulos de alta potência para transmissões de longo alcance, mas podem ser construídos como pequenos circuitos em uma PCB para sistemas RF de baixa potência.

O que é um Divisor de Polarização?

Um bias tee é um circuito simples que utiliza um indutor e um capacitor para direcionar o fluxo de energia AC e DC. O tipo mais simples de bias tee é um dispositivo de 2 entradas; um indutor é usado para passar energia DC de uma porta de entrada, e um capacitor é usado para passar energia AC para a saída. No exemplo anterior com nosso amplificador de potência RF, um bias tee foi usado para fornecer energia ao amplificador, enquanto também passava a potência de saída RF do mesmo pino. O circuito que foi usado anteriormente é mostrado abaixo.

O conceito é simples; a impedância indutiva do indutor bloqueia o sinal AC, enquanto o capacitor bloqueia o sinal DC de passar para a carga neste sistema. O sinal DC é simplesmente a energia sendo fornecida ao pino VDD, que alimentará o amplificador, e a circuitaria interna do amplificador irá rotear a energia de entrada da maneira necessária.

Relação de Impedância em um Bias Tee Simples

Os divisores de polarização são projetados de tal forma que tentamos atingir uma determinada relação de impedância. A relação de impedância em um divisor de polarização refere-se à razão entre a impedância ao longo do caminho DC e a impedância vista pelo sinal à medida que ele viaja ao longo do caminho de saída. Esta relação de impedância precisa ser incluída no design do divisor de polarização sob os seguintes alvos de design:

A impedância olhando para dentro da porta DC deve ser muito maior do que a impedância olhando para dentro da saída RF
A queda de impedância equivalente através do divisor de polarização (medida de RFOUT até o lado de saída do capacitor) precisa corresponder à impedância da linha de transmissão LO_OUT

Portanto, temos duas definições importantes que podemos usar para calcular a relação de impedância:

Os valores nas duas equações acima são reatâncias do indutor (L) e do capacitor (C) na frequência de operação do circuito. Um valor típico para a relação de impedância pode variar de n = 1 a n = 1000. A impedância do divisor de polarização Z(tee) será compatibilizada com a impedância da linha de transmissão, normalmente 50 Ohms em uma PCB. Temos duas equações e duas incógnitas, então podemos facilmente resolver para essas reatâncias.

Os valores acima são os valores mínimos necessários para convergir para uma correspondência de impedância. Se usarmos a definição de reatância capacitiva e indutiva na equação acima, temos a seguinte relação entre a frequência operacional alvo e a capacitância:

Esta relação nos diz que podemos deslocar a banda passante para o bias tee ajustando C para uma razão de impedância alvo enquanto mantemos o valor do indutor L constante. Também podemos usar a mesma relação, mas com L no lado direito da equação em vez de C.

Por exemplo, se fôssemos pegar os valores acima e aumentar a capacitância por um fator N, a frequência operacional onde esperaríamos ver a entrega máxima de potência na carga teria que diminuir por um fator √N para manter a mesma razão de impedância. Isso poderia modificar a correspondência de impedância na saída; mesmo que possamos ter alguma reflexão e desajuste de impedância, o bias tee está deslocando sua banda passante de tal forma que a potência da carga pode ser aumentada.

Calculadora de Bias Tee LC

Você pode usar o aplicativo de calculadora abaixo para determinar os valores de L e C para uso em um bias tee. Isso requer que o projetista insira uma razão de impedância desejada e uma impedância alvo. A frequência fornecida aqui é a frequência esperada onde vemos o máximo na banda passante do bias tee.

Filtragem de Ordem Superior

```O que aconteceria se colocássemos uma seção de filtro mais complexa no lado DC? Isso também é possível com a colocação de um circuito de filtro. A etapa DC mostrada acima poderia ter uma etapa de filtro mais complexa entre a porta de entrada de energia e o ponto de ramificação na rede de saída RF. Por exemplo, poderíamos colocar um filtro passa-baixa bidirecional de ordem superior entre a porta DC de entrada e o ponto de ramificação.

Isso pareceria algo como o circuito abaixo. Aqui, coloquei circuitos RL paralelos como elementos de filtragem que essencialmente limitam a corrente em frequências mais altas vindas da fonte de alimentação. Se você procurar na internet, verá outros exemplos de circuitos RLC usados como filtros passa-baixa ao longo da conexão DC.

Neste circuito, a impedância do indutor + estágio de filtro RF é dimensionada para atingir uma determinada relação de impedância em relação à linha de 50 Ohms e ao alvo da relação de impedância. Também é comum ver um capacitor saindo do terminal VDD. Por que gostaríamos de adotar essa abordagem para o estágio de filtro? Existem três razões possíveis:

• Por ser um filtro de ordem superior, haverá uma atenuação mais acentuada em altas frequências
• Com base no ponto anterior, a seção do filtro poderia filtrar ruídos provenientes da fonte DC
• O tee poderia ter uma razão de impedância consistentemente alta em uma faixa de passagem mais ampla

No exemplo acima, um filtro de ordem superior está sendo usado na porta de entrada DC. O principal desafio com isso é que a topologia do filtro de bloqueio poderia ter alguma ondulação na faixa de passagem como função da frequência, e como resultado a impedância do tee também poderia ter alguma ondulação na faixa de passagem. Portanto, é importante simular a operação da seção do filtro, o que pode ser feito em uma simulação SPICE.

Exemplo: Simulação SPICE Com Bias Tee LC

Nesta seção, mostrarei alguns resultados de simulação para o bias tee LC mais simples mostrado nos esquemáticos acima para nosso projeto de módulo amplificador de potência. Como foi originalmente projetado, o bias tee mostrado acima operará conforme o intencionado com operação de banda larga, e a correspondência de impedância será quase exatamente 50 Ohms. No entanto, não é otimizado para entrega de potência a uma carga de 50 Ohms devido à ação de filtragem do bias tee devido à alta razão de impedância.

O esquemático abaixo mostra o circuito inicial que será usado para simular o bias tee.

Para esta simulação, vamos olhar para uma simulação AC do tee, onde estamos interessados na tensão de saída, corrente para o lado RF e a potência entregue a RLOAD. Também queremos saber qual é a impedância olhando através da entrada RF. Idealmente, isso deve ser o mais próximo possível de 50 Ohms. Os resultados iniciais da AC são mostrados abaixo.

Esta simulação inicial revela alguns resultados bastante bons. A banda passante é muito ampla para este bias tee, e o casamento de impedância parece extremamente preciso até a frequência de operação do circuito de 6,3 GHz. Embora a impedância alvo pareça ter sido alcançada, não vemos a entrega máxima de potência à carga na frequência desejada. Isso ocorre porque 6,3 GHz está na queda de banda passante.

Suponha agora que definimos a razão de impedância para 1:1 para este circuito. Isso exigiria um indutor de 1,2 nH e um capacitor de 0,5 pF. Os resultados com esta configuração de simulação atualizada são mostrados abaixo.

Daqui vemos que a faixa de passagem moveu-se para frequências mais altas, mas não necessariamente obtemos mais potência do tee sendo entregue a RLOAD. Também vemos que a impedância não converge para o alvo até uma frequência muito mais alta (cerca de 10 GHz). Portanto, ainda não convergimos para um design perfeito.

Finalmente, vamos ver o que acontece se aumentarmos os parâmetros para L = 6 nH e C = 1 pF (equivalente a uma razão de impedância de 3,14 a cerca de 6,45 GHz). Neste caso, obtemos uma correspondência muito melhor com a impedância alvo, embora a potência entregue à carga seja um pouco menor. Embora a faixa de passagem tenha se movido muito mais para cima, a impedância que este circuito está visando a 6,45 GHz é de cerca de 77,4 Ohms, o que poderia explicar a entrega de potência mais baixa neste circuito.

Uma varredura de parâmetros poderia ajudar a determinar o melhor equilíbrio entre L e C dentro de uma certa faixa. A outra simulação que poderíamos realizar é uma simulação de análise transiente. Isso nos dirá o que acontece com o tee à medida que o circuito é inicialmente levado à sua potência operacional. Tente fazer isso você mesmo, pois é bastante simples e deve ilustrar as potenciais armadilhas de usar filtragem de ordem superior no lado DC do circuito.

Há algo de errado com esta imagem? Como se verifica, há sim! Em particular, existem dois pontos que não são considerados nesta simulação:

1. Na frequência de GHz em que este sistema operará, o capacitor e o indutor podem ter algumas parasitas (ESR/ESL no capacitor e EPC no indutor)
2. O divisor de tensão está suportando a propagação de ondas, então as conexões entre componentes são na verdade linhas de transmissão.

Com base no ponto #2, e na ideia de que a saída de um amplificador pode ser internamente terminada em 50 Ohms, a impedância do divisor de tensão é às vezes definida muito baixa. Isso pode ser aceitável desde que o divisor seja colocado muito próximo ao pino de saída no amplificador de potência. No entanto, é muito mais preferível usar a correspondência de impedância em todo o interconector para tentar maximizar a transferência de potência para a carga.

As simulações SPICE não são muito eficazes na simulação de propagação em linhas de transmissão entre componentes e fora do bias tee. Portanto, a simulação SPICE mostrada acima usa uma carga de 50 Ohms para representar a impedância de entrada olhando para a carga no nosso exemplo de módulo amplificador de potência. Se tivéssemos uma situação em que a carga é colocada perto da saída do bias tee, então certamente poderíamos adotar a abordagem de circuito que está sendo idealizada no exemplo de simulação SPICE mostrado aqui.

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