Projektübersicht und Spezifikationen
Diese umfassende Fallstudie dokumentiert den vollständigen Entwicklungsprozess eines 2.4 GHz, 10W Leistungsverstärkers für WiFi 6-Anwendungen. Unsere Zielanwendung erfordert hohe Effizienz (>40% PAE), ausgezeichnete Linearität für OFDM-Signale und robuste thermische Leistung in einem kompakten Formfaktor.
Design-Spezifikationen
- • Frequenz: 2.4-2.5 GHz
- • Ausgangsleistung: 10W (40 dBm)
- • Verstärkung: 28 ± 1 dB
- • PAE: >40% @ P1dB
- • P1dB: >39 dBm
- • Versorgungsspannung: 28V
- • EVM: <-25 dB (64-QAM)
- • Betriebstemperatur: -40°C to +85°C
- • Größe: maximal 15 × 10 mm
- • Kostenziel: <$8 bei 10K Stückzahl
Transistorauswahl und Analyse
Die Bauelementauswahl ist wohl die kritischste Entscheidung im PA-Design und beeinflusst direkt Leistung, Kosten und Design-Komplexität. Für unsere 2.4 GHz, 10W Anwendung haben wir GaN HEMT, LDMOS und GaAs pHEMT Technologien evaluiert.
Bauelement-Vergleichsmatrix
| Technologie | Leistungsdichte | Effizienz | Kosten |
|---|---|---|---|
| GaN HEMT | 5-8 W/mm | 50-65% | $$$$ |
| LDMOS | 1-2 W/mm | 40-55% | $$ |
| GaAs pHEMT | 0.5-1 W/mm | 35-50% | $$$ |
Ausgewählt: Qorvo TGF2023-SM GaN auf SiC HEMT - 15W Kapazität mit hervorragender thermischer Leistung (Rth = 8°C/W)
Großsignal-Bauelementmodellierung
Präzise Bauelementmodellierung ist für erfolgreiches PA-Design unerlässlich, insbesondere für Effizienzoptimierung und Linearitätsvorhersage. Load-Pull-Simulationen bei der Zielfrequenz und dem Leistungspegel zeigten optimale Lastimpedanzen.
Optimale Impedanzen (Stromgenerator-Referenz)
Eingangsanpassungsnetzwerk-Design
Das Eingangsanpassungsnetzwerk transformiert die 50Ω Systemimpedanz zur optimalen Quellimpedanz und bietet gleichzeitig DC-Bias-Einspeisung und Stabilität.
Eingangs-Netzwerk Bauteilwerte
Primäre Anpassung:
- • L1: 3.9 nH (Reihe)
- • C1: 1.8 pF (parallel)
- • L2: 2.2 nH (Reihe)
- • C2: 0.8 pF (parallel)
Stabilität & Bias:
- • R_stab: 10 Ω (Reihe)
- • C_stab: 100 pF (Reihe)
- • L_bias: 100 nH (HF-Drossel)
- • C_bias: 1000 pF (Bypass)
Ausgangsanpassungsnetzwerk-Design
Das Ausgangsanpassungsnetzwerk ist aufgrund höherer Leistungspegel, Oberwellengehalt und der Notwendigkeit der Oberwellenunterdrückung anspruchsvoller als der Eingang. Unser Design verwendet einen mehrstufigen Ansatz, der Grundwellenanpassung mit Oberwellenterminierung kombiniert.
- Ausgangsrückflussdämpfung besser als -12 dB über das gesamte Band
- 2. Oberwellenunterdrückung über -30 dBc
- 3. Oberwellenunterdrückung über -35 dBc
Bias-Netzwerk und Thermisches Design
Das thermische Design ist kritisch für den 10W Leistungspegel. Die Gate-Vorspannung ist auf -2.8V für Klasse-AB-Betrieb eingestellt und bietet einen Kompromiss zwischen Effizienz und Linearität.
Wärmemanagement
- Mehrlagige Leiterplatte mit umfangreichen thermischen Vias
- Große Massefläche als Wärmeverteiler
- Vorhergesagter Sperrschichttemperaturanstieg: 65°C über Umgebungstemperatur
PCB-Layout und Implementierung
Hochfrequenz-PCB-Layout erfordert sorgfältige Aufmerksamkeit für Übertragungsleitungsdesign, Via-Platzierung und Wärmemanagement.
PCB-Design-Spezifikationen
- • Layer 1: RO4350B (0.1mm)
- • Layer 2: FR-4 Ground (0.1mm)
- • Layer 3: FR-4 Power (0.1mm)
- • Layer 4: RO4350B (0.1mm)
- • Gesamtdicke: 0.8mm
- • 2oz Kupfer auf allen Lagen
- • 0.2mm thermische Vias (48 gesamt)
- • Große Massefläche als Wärmeverteiler
- • Thermisches Pad 5×5mm
- • Rth(pcb): 15°C/W
Messergebnisse und Validierung
Umfassende Messungen validierten die Design-Leistung gegen Spezifikationen. Alle gemessenen Ergebnisse erfüllten oder übertrafen die Design-Spezifikationen.
Gemessene vs. Simulierte Ergebnisse
| Parameter | Spez. | Simuliert | Gemessen |
|---|---|---|---|
| Verstärkung @ 2.45 GHz | 28 ± 1 dB | 28.5 dB | 28.2 dB ✓ |
| PAE @ 10W | >40% | 45% | 42% ✓ |
| P1dB | >39 dBm | 39.8 dBm | 39.5 dBm ✓ |
| 2. Oberwelle | <-30 dBc | -32 dBc | -31 dBc ✓ |
Gewonnene Design-Erkenntnisse
Hauptherausforderungen & Lösungen
Herausforderung: Wärmemanagement
- • Lösung: Mehrschichtige thermische Via-Anordnung und große Massefläche
- • Auswirkung: Sperrschichttemperatur um 15°C reduziert
Herausforderung: Bauteiltoleranz-Empfindlichkeit
- • Lösung: Breitere Anpassungsbandbreite und Bauteilauswahl
- • Auswirkung: Ausbeute von 85% auf 96% verbessert
Herausforderung: EMI/Oberwellen-Konformität
- • Lösung: Verbesserte Oberwellenfilterung und Abschirmung
- • Auswirkung: EMV-Tests mit 10 dB Spielraum bestanden
Wichtige Design-Erkenntnisse
- Bauelementauswahl ist kritisch - berücksichtigen Sie Leistungsdichte, Effizienz und Kosten
- Load-Pull-Analyse ist für die Optimierung von Effizienz und Ausgangsleistung unerlässlich
- Wärmemanagement wird bei Leistungspegeln über 5W zum dominierenden Faktor
- Bauteiltoleranzen beeinflussen die Ausbeute erheblich - Design für Robustheit
- Oberwellenunterdrückung erfordert dedizierte Filternetzwerke
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Nutzen Sie unsere Rechner zur Gestaltung von Anpassungsnetzwerken für Ihre Leistungsverstärker-Projekte:
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