Согласование импеданса усилителей мощности РЧ на микроволновых и миллиметровых частотах

Согласно MarketWatch, общий рынок РЧ усилителей ожидается превысить $27 миллиардов к 2023 году. Так где же предполагается использование всех этих РЧ усилителей? Можно благодарить 5G и расширение сетей сотовой связи в целом за значительную часть ожидаемого роста. Для дизайнеров печатных плат, согласование импеданса РЧ усилителя становится важной точкой проектирования, особенно при работе с мощными усилителями.

Согласование импеданса мощных РЧ усилителей

Специалисты по энергетической целостности РЧ, вероятно, знакомы с необходимостью хороших регуляторов напряжения в мобильных устройствах для подавления переходных сигналов через выход усилителя, особенно при работе с импульсными РЧ усилителями мощности. Специалисты по целостности сигнала, которые теперь могут начать работать с РЧ дизайном, вероятно, привыкли работать с S-параметрами на низких уровнях сигнала при анализе своих РЧ цепей и определении подходящего согласования импеданса. Использование S-параметров не подходит для дизайна РЧ усилителей класса AB и класса C, поскольку эти усилители работают в нелинейном режиме.

В терминах передачи мощности на низких уровнях сигнала (то есть в линейном режиме) максимальная передача мощности обеспечивается, когда импеданс нагрузки согласован с комплексно-сопряженным импедансом выхода усилителя. Однако, усилитель мощности (обычно установленный в секции передачи РЧ) может обеспечить более высокий коэффициент усиления и эффективность при номинальной выходной мощности, если имеется намеренное несогласование импедансов.

При работе на высокой выходной мощности согласование/несогласование импеданса выхода усилителя/импеданса нагрузки, которое обеспечивает максимальную передачу мощности к нагрузке, может не совпадать с согласованием/несогласованием, которое обеспечивает максимальную эффективность на желаемой частоте (это определенно верно для резистивных компонентов). Так как же определить правильный согласованный импеданс на нагрузке, чтобы обеспечить лучшую производительность? Поскольку импеданс, видимый источником, зависит от уровней входной и выходной мощности усилителя, вам потребуется использовать анализ смены нагрузки для определения соответствующего импеданса, видимого выходом усилителя. Затем вам нужно согласовать импеданс нагрузки с этим значением.

Существует довольно простой способ провести анализ нагрузочного регулирования с помощью симулятора и диаграммы Смита. Идея заключается в том, чтобы пройтись по большому количеству значений импеданса нагрузки (помните, импеданс - это сумма сопротивления и реактивного сопротивления) при определенной входной мощности. Затем вы измеряете выходной ток/напряжение для каждой комбинации сопротивления и реактивного сопротивления нагрузки, что позволяет вам также рассчитать усиление и эффективность. После этого вы строите контуры выходной мощности как функцию импеданса нагрузки при конкретной входной мощности.

Это показано на диаграмме Смита ниже: каждый контур показывает набор значений сопротивления и реактивного сопротивления, которые производят определенную выходную мощность (зеленый) и эффективность (синий). Красный контур показывает область, где эти два набора кривых пересекаются. Вы можете затем определить компромисс между выходной мощностью и эффективностью для конкретных выходных мощностей, где контуры пересекаются. Обратите внимание, что при другой входной мощности вы получите другой набор контуров.

Пример диаграммы Смита с результатами анализа нагрузочного регулирования для согласования импеданса РЧ усилителя [Источник]

Комбинация реактивного сопротивления и активного сопротивления, которую вы определяете по результатам измерений с нагрузкой, скажет вам, какую согласующую сеть следует использовать для установки импеданса нагрузки. Затем вы можете проверить это с помощью измерений векторным анализатором сетей с тестовым образцом. Обратите внимание на поведение вашей согласующей сети на высоких частотах; помимо саморезонанса (см. ниже), полоса пропускания вашей согласующей сети может создать некоторые проблемы для FMCW чирп-радара. Обратите внимание, что на частоте 77 ГГц диапазон чирпа может достигать 4 ГГц, поэтому ваша полоса пропускания должна быть относительно плоской от 73 до 81 ГГц.

Усилитель РЧ на ИС и дискретных компонентах

Если ваша желаемая интегральная схема не удовлетворяет вашим потребностям и вам необходимо разработать пользовательский усилитель на дискретных компонентах, у вас возникнут дополнительные трудности на РЧ-частотах по ряду причин. Помимо нелинейного отклика этих усилителей при высокой мощности, фактическая компоновка может создать проблемы с целостностью сигнала из-за несоответствия импедансов между компонентами. Из-за характеристик импеданса различных компонентов вы можете не иметь возможности согласовать импеданс на протяжении всего дизайна усилителя. Это связано с очень короткими длинами волн миллиметрового диапазона (см. ниже).

Перед тем как перейти к некоторым аспектам размещения, давайте рассмотрим выбор компонентов. Компоненты на основе GaN лучше всего подходят для новых областей РЧ-дизайна, где частоты находятся в диапазоне 10-100 ГГц (например, 5G или другие приложения миллиметрового диапазона). На более низких частотах ГГц компоненты на основе процесса GaAs являются лучшим выбором. Любые используемые вами конденсаторы и индуктивности для согласования будут иметь некоторую собственную резонансную частоту; убедитесь, что вы выбираете пассивные компоненты с достаточно высокой собственной резонансной частотой при построении одной из этих схем.

На микроволновых частотах длины волн вашего сигнала имеют порядок см (например, 6 см в свободном пространстве на частоте 5 ГГц), так что вы, вероятно, сможете игнорировать несоответствия импеданса, если ваши трассы между компонентами достаточно коротки. На частотах миллиметрового диапазона гораздо вероятнее, что каждая трасса будет действовать как длинная линия передачи, даже если вы разместите ваши компоненты в вашем собственном РЧ-усилителе как можно ближе друг к другу. Если между компонентами есть несоответствие, вдоль трассы могут образоваться стоячие волны, либо на желаемой основной частоте, либо на одной или нескольких более высоких гармониках. Когда это происходит, ваши трассы начинают действовать как антенны и будут сильно излучать.

В данной ситуации архитектура линии передачи, такая как копланарные волноводы, будет сложна в реализации из-за необходимости большого количества меди на поверхностном слое, и вам нужно будет изолировать участок усилителя на плате, чтобы обеспечить целостность сигнала. Следуйте лучшим практикам разделения цифровых и аналоговых земляных участков на вашей земляной плоскости под поверхностным слоем. В многослойных платах с большим количеством слоев Рик Хартли (см. слайд 55 в этой старой презентации) рекомендует размещать земляные плоскости через каждый слой, чтобы обеспечить достаточное экранирование и изоляцию между слоями сигналов. Также следует разместить медный залив вокруг различных РЧ-секций и заземлить его через переходные отверстия.

Обратите внимание на переходные отверстия, разбросанные по поверхностному слою

Обязательно следуйте некоторым лучшим практикам по расстоянию между переходными отверстиями и размеру толщины медного залива, чтобы сдвинуть частоту самого низкого порядка резонанса выше РЧ частоты, с которой вы работаете. Чтобы избежать проблем с резонансом остаточных частей переходных отверстий и задним сверлением во время производства, вы можете просто использовать сквозные переходные отверстия для заземления вашего медного залива. В самых крайних случаях можно использовать экранирующую крышку для изоляции РЧ-секций.

Согласование импеданса усилителя РЧ может быть сложной задачей, особенно когда речь идет о мощных усилителях, которые являются решительно нелинейными. Функции размещения, симуляции и анализа целостности сигнала в Altium Designer могут помочь вам определить лучшие варианты проектирования схемы и размещения для ваших цепей усилителя РЧ и контролировать импеданс на вашей плате.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для размещения, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.