Khớp nối trở kháng bộ khuếch đại công suất RF ở tần số vi sóng và sóng milimet

Theo MarketWatch, tổng thị trường cho các bộ khuếch đại RF dự kiến sẽ vượt qua 27 tỷ đô la vào năm 2023. Vậy tất cả các bộ khuếch đại RF này dự kiến sẽ được sử dụng ở đâu? Bạn có thể cảm ơn 5G và sự mở rộng của các mạng di động nói chung cho một phần lớn sự tăng trưởng dự kiến. Đối với các nhà thiết kế PCB, việc khớp trở kháng bộ khuếch đại RF trở nên quan trọng, đặc biệt là với các bộ khuếch đại công suất cao.

Khớp Trở Kháng Bộ Khuếch Đại RF Tín Hiệu Lớn

Những người quan tâm đến tính toàn vẹn công suất RF có lẽ đã quen với nhu cầu có các bộ điều chỉnh điện áp tốt trong thiết bị di động để ngăn chặn tín hiệu biến thiên qua đầu ra của bộ khuếch đại, đặc biệt khi xử lý với các bộ khuếch đại công suất RF xung. Những người quan tâm đến tính toàn vẹn tín hiệu, những người có thể bắt đầu làm việc với thiết kế RF, có lẽ đã quen với việc làm việc với S-parameters ở mức tín hiệu thấp khi phân tích mạch RF của họ và xác định sự khớp trở kháng phù hợp. Việc sử dụng S-parameters không phù hợp trong thiết kế bộ khuếch đại RF lớp AB và lớp C vì những bộ khuếch đại này vận hành trong chế độ phi tuyến tính.

Về việc truyền tải công suất ở mức tín hiệu thấp (tức là, trong chế độ tuyến tính), việc truyền tải công suất tối đa được đảm bảo khi trở kháng tải được khớp với liên hợp phức của trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại. Tuy nhiên, một bộ khuếch đại công suất (thường được đặt trong phần phát RF) có thể cung cấp hiệu suất và hiệu quả cao hơn tại công suất đầu ra định mức nếu có sự không khớp trở kháng cố ý.

Khi hoạt động ở công suất đầu ra cao, sự khớp/nhất khớp trở kháng đầu ra/trở kháng tải tạo ra việc truyền tải công suất tối đa đến tải có thể không trùng khớp với sự khớp/nhất khớp tạo ra hiệu quả tối đa ở tần số mong muốn (điều này chắc chắn đúng với các thành phần điện trở). Vậy làm thế nào bạn có thể xác định trở kháng khớp đúng tại tải để đảm bảo bạn thấy hiệu suất tốt nhất? Bởi vì trở kháng nhìn thấy bởi nguồn phụ thuộc vào mức công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại, bạn sẽ cần sử dụng phân tích kéo tải để xác định trở kháng phù hợp nhìn thấy bởi đầu ra của bộ khuếch đại. Sau đó, bạn cần khớp trở kháng của tải với giá trị này.

Có một cách khá đơn giản để thực hiện phân tích kéo tải với một bộ mô phỏng và biểu đồ Smith. Ý tưởng là lặp qua một số lượng lớn các giá trị trở kháng tải (nhớ rằng, trở kháng là tổng của điện trở và dung kháng) tại một công suất đầu vào cụ thể. Sau đó, bạn đo dòng điện/điện áp đầu ra cho mỗi sự kết hợp của trở kháng tải và dung kháng, cho phép bạn cũng tính toán được lợi ích và hiệu suất. Bạn sau đó vẽ các đường viền công suất đầu ra như một hàm của trở kháng tải tại công suất đầu vào cụ thể.

Điều này được hiển thị trong biểu đồ Smith dưới đây: mỗi đường viền cho thấy bộ giá trị điện trở và dung kháng tạo ra một công suất đầu ra cụ thể (màu xanh lá) và hiệu suất (màu xanh dương). Đường viền màu đỏ cho thấy khu vực mà hai bộ đường cong này giao nhau. Bạn có thể sau đó xác định sự đánh đổi giữa công suất đầu ra và hiệu suất cho các công suất đầu ra cụ thể nơi các đường viền giao nhau. Lưu ý rằng, tại một công suất đầu vào khác nhau, bạn sẽ tạo ra một bộ đường viền khác nhau.

Ví dụ Biểu đồ Smith với kết quả từ phân tích kéo tải cho việc khớp trở kháng bộ khuếch đại RF [Nguồn]

Sự kết hợp giữa dung kháng và điện trở mà bạn xác định từ kết quả kéo tải sẽ cho bạn biết mạng ghép nối nào bạn nên sử dụng để thiết lập trở kháng tải. Sau đó, bạn có thể xác minh điều này với các phép đo máy phân tích mạng vectơ với một mẫu thử nghiệm. Hãy chú ý đến hành vi của mạng ghép nối của bạn ở tần số cao; ngoài tự cộng hưởng (xem bên dưới), băng thông của mạng ghép nối của bạn có thể tạo ra một số vấn đề cho radar FMCW chirped. Lưu ý rằng, ở 77 GHz, phạm vi chirp có thể đạt 4 GHz, vì vậy băng thông của bạn nên tương đối phẳng từ 73 đến 81 GHz.

Khuếch đại RF từ IC và Các Linh Kiện Rời

Nếu IC mong muốn của bạn không đáp ứng được nhu cầu và bạn phải thiết kế một khuếch đại tùy chỉnh từ các linh kiện rời, bạn sẽ gặp nhiều khó khăn hơn ở tần số RF vì một số lý do. Ngoài phản ứng phi tuyến của các khuếch đại này ở công suất cao, bố cục thực tế có thể tạo ra vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu do sự không khớp trở kháng giữa các linh kiện. Do đặc tính trở kháng của các linh kiện khác nhau, bạn có thể không thể ghép nối trở kháng xuyên suốt thiết kế khuếch đại. Điều này là do bước sóng rất ngắn của tần số mmWave (xem bên dưới).

Trước khi đi vào một số điểm về bố trí, hãy xem xét việc lựa chọn linh kiện. Các linh kiện dựa trên GaN là lựa chọn tốt nhất cho các lĩnh vực mới nổi của thiết kế RF nơi mà tần số nằm trong khoảng 10-100 GHz (ví dụ, 5G hoặc các ứng dụng mmWave khác). Ở tần số GHz thấp hơn, các linh kiện dựa trên quy trình GaAs là lựa chọn tốt nhất. Bất kỳ tụ điện và cuộn cảm nào bạn sử dụng để khớp sẽ có một tần số tự cộng hưởng; hãy chắc chắn rằng bạn chọn các linh kiện bị động với tần số tự cộng hưởng đủ cao khi xây dựng một trong những mạch này.

Ở tần số vi sóng, bước sóng tín hiệu của bạn có thứ tự là cm (ví dụ, 6 cm trong không gian tự do ở 5 GHz), vì vậy bạn có thể thoát khỏi sự không khớp trở kháng khi các đường dẫn giữa các linh kiện của bạn đủ ngắn. Ở tần số mmWave, rất có khả năng mỗi đường dẫn sẽ hoạt động như một đường truyền dài, ngay cả khi bạn bố trí các linh kiện trong bộ khuếch đại RF tùy chỉnh của mình càng gần nhau càng tốt. Nếu có sự không khớp giữa các linh kiện, sóng đứng có thể hình thành dọc theo một đường dẫn, hoặc ở tần số cơ bản mong muốn hoặc ở một hoặc nhiều bậc cao hơn của hài. Khi điều này xảy ra, các đường dẫn của bạn bắt đầu hoạt động như ăng-ten và sẽ phát sóng mạnh.

Trong tình huống này, một kiến trúc đường truyền như đường dẫn sóng đồng mặt phẳng sẽ khó áp dụng do yêu cầu không gian thực tế cho đồng trên lớp bề mặt, và bạn sẽ cần phải cô lập phần khuếch đại của bảng mạch để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu. Tuân theo các phương pháp tốt nhất để tách biệt các phần mặt đất kỹ thuật số và tương tự trong mặt đất phía dưới lớp bề mặt. Trong các bảng mạch đa lớp với số lượng lớp cao, Rick Hartley (xem slide 55 trong bài trình bày cũ này) khuyến nghị đặt các lớp mặt đất ở mỗi lớp xen kẽ để cung cấp đủ sự che chắn và cô lập giữa các lớp tín hiệu. Bạn cũng nên đặt một lớp đổ đồng xung quanh các phần RF và nối đất nó với các via.

Chú ý các via rải rác trên lớp bề mặt

Hãy chắc chắn tuân theo một số phương pháp tốt nhất với khoảng cách via và kích thước độ dày của lớp đổ đồng để dịch tần số cộng hưởng thấp nhất lên trên tần số RF bạn đang làm việc. Để tránh một số vấn đề về cộng hưởng stub via và khoan lùi trong quá trình sản xuất, bạn có thể chỉ sử dụng via xuyên lỗ để nối đất lớp đổ đồng của mình. Trong những trường hợp cực đoan nhất, bạn có thể sử dụng một vỏ chắn để cô lập các phần RF.

Việc khớp trở kháng cho bộ khuếch đại RF có thể là một thách thức, đặc biệt là với các bộ khuếch đại công suất có tính phi tuyến rõ rệt. Các tính năng về bố trí, mô phỏng và phân tích tính toàn vẹn tín hiệu trong Altium Designer có thể giúp bạn xác định lựa chọn thiết kế mạch và bố trí tốt nhất cho các mạch khuếch đại RF của mình và kiểm soát trở kháng trên bo mạch của bạn.

Giờ đây, bạn có thể tải về phiên bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.