Projeto de PCB para Módulo de Amplificador de Potência RF

Clique aqui para acessar o visualizador embutido e navegar por este projeto

Amplificadores de potência RF podem ser encontrados em qualquer produto sem fio, muitas vezes integrados a chipsets ou modems. No entanto, em alguns sistemas especializados, pode ser necessário uma saída de potência mais alta em uma frequência específica, e isso requer um circuito amplificador discreto para fornecer essa potência. Esses sistemas podem pegar um oscilador externo e amplificá-lo para fornecer um sinal de alta potência, ou um oscilador local pode ser usado para gerar o sinal necessário que será alimentado no amplificador.

Neste projeto de exemplo, vou mostrar como projetar um módulo amplificador de potência que opera na faixa de 6 GHz com alta saída de potência (acima de aproximadamente 10 dB). O módulo que mostrarei aqui fornece alta saída de potência amplificando o sinal com um ganho de +13 dB, e o sinal é passado para um conector SMA. O módulo é feito para ser completamente autossuficiente; basta aplicar energia e você obtém um sinal de alta frequência na porta de saída!

Assista à playlist abaixo para aprender mais sobre o design e layout de amplificadores de potência para sistemas que operam na faixa de 6 GHz.

Nosso Módulo de PCB de Amplificador de Potência

O componente de amplificador de potência que utilizaremos neste exemplo é o HMC637ALP5E da Hittite Microwave (agora Analog Devices). Esta peça possui níveis muito altos de ganho e saturação (em termos de ponto IP3 e compressão de -1 dB), bem como baixa perda de retorno e requisitos simples de layout. O design está em um pacote QFN, mas a maioria dos pinos são de terra ou NC.

A fonte de sinal neste design será um oscilador controlado por tensão (VCO). Esses componentes também são muito simples de trabalhar em esquemáticos e circuitos. Para um layout de PCB, eles exigem algumas considerações importantes sobre controle de impedância e isolamento, mas a saída pode ser alimentada diretamente para o amplificador de potência. Dado o output de potência deste VCO, o amplificador estará operando muito solidamente na faixa linear, então esperaríamos geração mínima de harmônicos.

Além disso, teremos dois circuitos de potência importantes e alguns componentes auxiliares:

• Um regulador de potência do sistema de 12V para 5V (TPS562201DDCR)
• Um regulador de duplo trilho para fornecer as tensões de gate (LM27762DSSR)

Circuito do Amplificador de Potência

O amplificador de potência neste exemplo de módulo requer duas tensões de gate e uma tensão de dreno primária para alimentação. A faixa de resposta é muito ampla, de DC até cerca de 6 GHz. A faixa de resposta do amplificador de potência é listada como máximo de 6 GHz na ficha técnica, mas se você observar todos os gráficos da página 2 até a 3 na ficha técnica, verá que a resposta é consistente até aproximadamente 8 GHz. Portanto, podemos provavelmente operar um pouco acima de 6 GHz e o sistema funcionará bem.

O circuito do amplificador de potência nos esquemas é mostrado abaixo. Temos acoplamento AC nas linhas RFIN e RFOUT conforme especificado nas fichas técnicas dos nossos componentes.

As tensões de gate sendo aplicadas ao amplificador são fornecidas através de um conjunto de pinos na PCB. A ideia aqui é poder desconectar um dos conectores e conectar a uma fonte de alimentação externa de bancada, se necessário. Isso também permite que a sequência de ligação do amplificador seja aplicada manualmente. Veja a página da ficha técnica HMC637ALP5E para o procedimento de ligação.

VCO, Resposta do Amplificador e sua Tensão de Ajuste

O VCO nesta placa é o número de peça HMC358MS8GE. Este componente tem um uso muito simples e a saída pode ser ajustada com uma tensão de ajuste DC aplicada no pino VTUNE. A faixa de saída vai de 5,8 GHz a 6,8 GHz. O circuito VCO é mostrado abaixo.

A conexão de energia de 3 V a este VCO no pino VTUNE faz com que o oscilador produza um sinal de 6,3 GHz no pino de saída. Note que, a partir da folha de dados HMC637ALP5E, podemos esperar uma resposta consistente do amplificador a 6,3 GHz, apesar do corte declarado de 6 GHz. Portanto, na revisão inicial deste projeto, vamos manter a conexão direta de 3V ao VTUNE. No final do artigo, esbocei algumas maneiras de como a tensão de ajuste poderia ser ajustável.

Divisor de Bias

A energia VDD é fornecida ao amplificador de potência usando um circuito divisor de bias. Um divisor de bias que usa apenas um capacitor e um indutor pode ser facilmente projetado para atender a dois requisitos:

• Haverá alguma capacitância mínima necessária para passar o sinal AC
• Haverá uma razão de impedância entre o caminho DC e o caminho AC que determina o nível de isolamento na fonte DC
• A indutância precisará ser maior quando uma maior impedância de isolamento for necessária no lado DC

O circuito de bias tee que usei é mostrado abaixo.

Na saída do VCO de 6,3 GHz, este bias tee terá uma razão de impedância de aproximadamente 43:1. No passado, usei outro amplificador de potência com um bias tee que pode operar bem com uma razão de impedância tão baixa quanto 1:1. No entanto, como este bias tee se conecta de volta a um conector de pinos, eu me preocuparia com parte do sinal irradiando fortemente de um dos pinos. Portanto, se seu objetivo é a máxima transferência de potência para a carga, você pode descobrir que o capacitor precisa ser diminuído ou o indutor precisa ser aumentado, mas isso pode alterar a banda passante do bias tee. A largura de banda/banda passante do bias tee deve ser verificada para bloqueio de DC e entrega de potência na frequência de operação do amplificador.

Cobri os detalhes específicos do design de bias tee em um artigo diferente, neste artigo eu cubro simulações deste bias tee e mostro a entrega de potência com o bias tee atual, bem como um bias tee otimizado que fornece entrega de potência máxima para uma carga de 50 Ohms.

Empilhamento e Layout da PCB

Esta placa será colocada em um empilhamento de 4 camadas com roteamento coplanar para as linhas de RF. Usar um empilhamento de 4 camadas permite-me colocar terra abaixo da camada superficial. Esta placa terá todos os componentes necessários colocados na camada superior da PCB, bem como o roteamento de interconexão de RF. A camada inferior pode ser usada para roteamento de trilhas de alimentação, e as camadas internas serão GND. Este tipo de empilhamento e roteamento garantirá a máxima isolação entre a seção de RF e a seção do regulador de potência através da redução parasitária.

O sistema de material sendo usado aqui é um FR4 de baixo Dk; nomes de marcas que podem atender a esta especificação são Isola 370HR ou ITEQ. Note que, para este tipo de design, onde o comprimento da interconexão é relativamente curto, não haverá perdas excessivas e não precisamos de um material de baixa perda como Rogers.

O layout da PCB para este módulo requer segmentação entre os circuitos de potência e os circuitos RF. Em particular, o principal regulador de comutação de 12V para 5V ocupará uma quantidade razoável de espaço. Com o tamanho reduzido da placa, quaisquer elementos de comutação devem ser mantidos afastados das linhas RF no plano inicial para esta placa. As regiões iniciais onde aplicarei a colocação são mostradas abaixo.

O plano de fundo acima faz três coisas:

• Ao aproveitar o terra no L2, temos um excelente controle de ruído ao redor dos reguladores de potência
• Deixa espaço suficiente ao redor das linhas RF e dos componentes para os pinos de cabeçalho
• Deixa um caminho em linha reta do VCO para o amplificador e o conector de saída SMA (J1)

A colocação e o layout para os circuitos do regulador de potência são elementares, então não vou repeti-los neste artigo. Você pode ler mais sobre as melhores práticas para layout de fornecimento de energia e layout do regulador de comutação neste link.

A seção de roteamento RF é mostrada abaixo. O perfil de impedância mostrado na pilha acima foi usado como a regra de design para as redes RF; essa configuração é detalhada no vídeo linkado acima. Adicionei blindagem às redes RF para que o sinal de 6 GHz possa ser contido ao longo da interconexão com mínima perda. O espaçamento entre essas vias é um pouco agressivo; o espaçamento de parede de furo a parede de furo é de apenas 12 mil, o que está próximo do mínimo típico de 8 ou 10 mil que normalmente seria especificado por uma casa de fabricação.

O layout final é mostrado abaixo. Vias de costura foram adicionadas com corte de alta frequência para evitar que o ruído de comutação ressoe na camada superior. Finalmente, adicionei alguma serigrafia com logotipos e indicadores de tensão nos cabeçalhos de pinos para auxiliar no procedimento de inicialização.

Como Melhorar Este Design

Este design opera em uma frequência fixa sendo saída para um amplificador de banda larga. Se quiséssemos, poderíamos modificar o design para incluir uma tensão de saída ajustável implementando a capacidade de ajustar a tensão no pino VTUNE. Algumas outras melhorias podem ser apropriadas após os testes. Existem várias opções:

1. Se necessário, o indutor do bias tee poderia ser trocado por um valor 10x-100x maior para aumentar a razão de impedância na saída, mas tenha cuidado com o efeito na largura de banda desejada.
2. Use um potenciômetro em um divisor de tensão no pino VTUNE.
3. Use um DAC ou regulador ajustável para ajustar a tensão no pino VTUNE; isso exigiria um cabeçalho de pinos adicional para um módulo MCU externo (como nosso módulo nRF52).
4. Adicione um cabeçalho de pinos para que uma fonte de tensão externa possa ser usada para a sintonia.
5. Considere adicionar um afunilamento para dentro/fora de pads maiores em C6 e os conectores SMA para transições suaves; nos SMAs, poderia haver um pequeno desajuste que exigiria um afunilamento para compensar.
6. Continuando no ponto #5, realize uma simulação para o CPW com a cerca de vias para garantir que o alvo de impedância seja atingido.
7. Embora os SMAs funcionem com um pequeno espaço para os pinos inferiores, engrossar a placa é preferível; um fabricante poderia fornecer um empilhamento que faria isso.

Isso pode ser muito útil se, por exemplo, você quisesse trazer o sinal de saída de volta para a frequência máxima nominal do amplificador de potência de 6 GHz. Como mencionei acima, você também poderia simplesmente aterrar o pino VTUNE para definir permanentemente a saída do VCO para 5,8 GHz.

Finalmente, para acessar uma antena, poderíamos adicionar uma antena patch na camada traseira e adicionar uma conexão acoplada por sonda à antena através de um via. Seria bastante simples colocar um via para uma antena patch alimentada por sonda no lado de trás da placa. No entanto, devido ao roteamento de energia na camada traseira, a maneira mais fácil de realizar isso é mudar o empilhamento para uma PCB de 6 camadas.

Siga este link para baixar um arquivo ZIP com os arquivos fonte do projeto. Você também pode usar o link de download no embed acima para acessar os arquivos fonte.

Quando você precisar criar sistemas RF complexos com um amplificador de potência ou VCO, utilize as ferramentas CAD 2D e 3D no Altium Designer®. Quando você terminar seu projeto e quiser liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365™ facilita a colaboração e o compartilhamento dos seus projetos.

Apenas começamos a explorar o que é possível com o Altium Designer no Altium 365. Inicie seu teste gratuito do Altium Designer + Altium 365 hoje mesmo.