Ajuste de Impedância do Amplificador de Potência RF em Frequências de Micro-ondas e mmWave

De acordo com MarketWatch, espera-se que o mercado geral de amplificadores RF ultrapasse $27 bilhões até 2023. Então, onde se espera que todos esses amplificadores RF sejam usados? Você pode agradecer ao 5G e à expansão das redes celulares em geral por uma boa parte do crescimento esperado. Para os projetistas de PCBs, a correspondência de impedância do amplificador RF torna-se um ponto de design importante, especialmente com amplificadores de alta potência.

Correspondência de Impedância de Amplificadores RF de Grande Sinal

Os especialistas em integridade de potência RF provavelmente estão familiarizados com a necessidade de bons reguladores de tensão em dispositivos móveis para suprimir sinais transientes através da saída de um amplificador, especialmente ao lidar com amplificadores de potência RF pulsados. Os especialistas em integridade de sinal que agora podem começar a trabalhar com design RF provavelmente estão acostumados a trabalhar com parâmetros-S em níveis de sinal baixos ao analisar seus circuitos RF e determinar a correspondência de impedância apropriada. O uso de parâmetros-S não é apropriado no design de amplificadores RF Classe AB e Classe C, pois esses amplificadores operam inerentemente no regime não linear.

Em termos de transferência de potência em níveis de sinal baixos (ou seja, no regime linear), a transferência máxima de potência é assegurada quando a impedância de carga é combinada com o conjugado complexo da impedância de saída do amplificador. No entanto, um amplificador de potência (normalmente colocado na seção de transmissão RF) pode fornecer maior ganho e eficiência na potência de saída nominal se houver uma incompatibilidade de impedância intencional.

Quando operado em alta potência de saída, a combinação/descompasso da impedância de saída do amplificador/impedância de carga que produz a transferência máxima de potência para a carga pode não coincidir com a combinação/descompasso que produz a máxima eficiência na frequência desejada (isso é certamente verdade para componentes resistivos). Então, como você pode determinar a impedância combinada correta na carga para garantir que você veja o melhor desempenho? Como a impedância vista pela fonte depende dos níveis de potência de entrada e saída do amplificador, você precisará usar a análise de puxada de carga para determinar a impedância apropriada vista pela saída do amplificador. Em seguida, você precisa combinar a impedância da carga com este valor.

Existe uma maneira relativamente simples de realizar a análise de carga puxada com um simulador e um gráfico de Smith. A ideia é iterar por um grande número de valores de impedância de carga (lembre-se, impedância é a soma da resistência e da reatância) em uma potência de entrada específica. Em seguida, você sonda a corrente/saída de tensão para cada combinação de resistência de carga e reatância, permitindo que você também calcule o ganho e a eficiência. Então, você traça contornos de potência de saída como função da impedância de carga na potência de entrada particular.

Isso é mostrado no gráfico de Smith abaixo: cada contorno mostra o conjunto de valores de resistência e reatância que produzem uma potência de saída específica (verde) e eficiência (azul). O contorno vermelho mostra a região onde esses dois conjuntos de curvas se sobrepõem. Você pode então determinar o compromisso entre potência de saída e eficiência para potências de saída específicas onde os contornos se intersectam. Note que, em uma potência de entrada diferente, você gerará um conjunto diferente de contornos.

Exemplo de Gráfico de Smith com resultados da análise de carga puxada para correspondência de impedância do amplificador RF [Fonte]

A combinação de reatância e resistência que você determina a partir dos resultados de load-pull dirá qual rede de casamento você deve usar para definir a impedância de carga. Você pode então verificar isso com medições de analisador de rede vetorial com um cupom de teste. Preste atenção ao comportamento da sua rede de casamento em altas frequências; além da auto-ressonância (veja abaixo), a largura de banda da sua rede de casamento pode criar alguns problemas para radar FMCW modulado em frequência. Note que, a 77 GHz, o alcance do chirp pode atingir 4 GHz, então sua largura de banda deve ser relativamente plana de 73 a 81 GHz.

Amplificador RF de ICs e Componentes Discretos

Se o IC desejado não atender às suas necessidades e você precisar projetar um amplificador personalizado a partir de componentes discretos, você terá mais dificuldades em frequências de RF por várias razões. Além da resposta não linear desses amplificadores em alta potência, o layout real pode criar problemas de integridade de sinal devido a desajustes de impedância entre componentes. Devido às características de impedância de diferentes componentes, você pode não conseguir casar a impedância em todo o projeto do amplificador. Isso se deve aos comprimentos de onda muito curtos das frequências de mmWave (veja abaixo).

Antes de entrarmos em alguns pontos sobre layout, vamos olhar para a seleção de componentes. Componentes baseados em GaN são melhores para áreas emergentes de design RF onde as frequências variam de 10 a 100 GHz (por exemplo, 5G ou outras aplicações de ondas milimétricas). Em frequências de GHz mais baixas, componentes baseados em um processo GaAs são a melhor escolha. Quaisquer capacitores e indutores que você usar para casamento terão alguma frequência de auto-ressonância; certifique-se de escolher componentes passivos com frequência de auto-ressonância suficientemente alta ao construir um desses circuitos.

Em frequências de micro-ondas, os comprimentos de onda do seu sinal estão na ordem de cm (por exemplo, 6 cm no espaço livre a 5 GHz), então você provavelmente pode ignorar desajustes de impedância quando suas trilhas entre componentes são curtas o suficiente. Em frequências de ondas milimétricas, é muito mais provável que cada trilha aja como uma linha de transmissão longa, mesmo que você disponha seus componentes no seu amplificador RF personalizado o mais próximo possível. Se houver um desajuste entre componentes, ondas estacionárias podem se formar ao longo de uma trilha, seja na frequência fundamental desejada ou em uma ou mais harmônicas de ordem superior. Quando isso acontece, suas trilhas começam a agir como antenas e irão irradiar fortemente.

Nesta situação, uma arquitetura de linha de transmissão como guias de onda coplanares será difícil de implementar devido ao espaço necessário para o cobre na camada superficial, e você precisará isolar a parte do amplificador da placa para garantir a integridade do sinal. Siga as melhores práticas para separar as seções de terra digital e analógico no seu plano de terra abaixo da camada superficial. Em placas multicamadas com alto número de camadas, Rick Hartley (veja o slide 55 nesta apresentação mais antiga) recomenda colocar planos de terra em cada outra camada para fornecer blindagem e isolamento suficientes entre as camadas de sinal. Você também deve colocar um preenchimento de cobre ao redor de várias seções de RF e aterrá-lo com vias.

Observe as vias dispersas na camada superficial

Certifique-se de seguir algumas melhores práticas com o espaçamento das vias e dimensionando a espessura do preenchimento de cobre para deslocar a frequência de ressonância de ordem mais baixa acima da frequência de RF com a qual você está trabalhando. Para evitar algumas dores de cabeça com ressonância de stub de via e furação traseira durante a fabricação, você poderia simplesmente usar vias passantes para aterrar seu preenchimento de cobre. Nos casos mais extremos, você pode usar uma lata de blindagem para isolar as seções de RF.

A correspondência de impedância em amplificadores RF pode ser uma perspectiva difícil, especialmente com amplificadores de potência que são decididamente não lineares. As funcionalidades de layout, simulação e análise de integridade de sinal no Altium Designer podem ajudá-lo a determinar as melhores escolhas de design de circuito e layout para seus circuitos de amplificador RF e controlar a impedância em sua placa.

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