Aperçu et Spécifications du Projet
Cette étude de cas complète documente le processus complet de conception d'un amplificateur de puissance de 2.4 GHz, 10W pour les applications WiFi 6. Notre application cible nécessite une efficacité élevée (PAE>40%), une excellente linéarité pour les signaux OFDM et des performances thermiques robustes dans un format compact.
Spécifications de Conception
- • Fréquence: 2.4-2.5 GHz
- • Puissance de Sortie: 10W (40 dBm)
- • Gain: 28 ± 1 dB
- • PAE: >40% @ P1dB
- • P1dB: >39 dBm
- • Tension d'Alimentation: 28V
- • EVM: <-25 dB (64-QAM)
- • Temp. de Fonctionnement: -40°C to +85°C
- • Taille: 15 × 10 mm maximum
- • Objectif de Coût: <$8 en volume de 10K
Sélection et Analyse du Transistor
La sélection du composant est sans doute la décision la plus critique dans la conception PA, impactant directement les performances, le coût et la complexité de conception. Pour notre application 2.4 GHz, 10W, nous avons évalué les technologies GaN HEMT, LDMOS et GaAs pHEMT.
Matrice de Comparaison des Composants
| Technologie | Densité de Puissance | Efficacité | Coût |
|---|---|---|---|
| GaN HEMT | 5-8 W/mm | 50-65% | $$$$ |
| LDMOS | 1-2 W/mm | 40-55% | $$ |
| GaAs pHEMT | 0.5-1 W/mm | 35-50% | $$$ |
Sélectionné : Qorvo TGF2023-SM GaN sur SiC HEMT - capacité 15W avec excellentes performances thermiques (Rth = 8°C/W)
Modélisation de Composant Grand Signal
La modélisation précise du composant est essentielle pour une conception PA réussie, particulièrement pour l'optimisation de l'efficacité et la prédiction de la linéarité. Les simulations de tirage de charge à la fréquence et au niveau de puissance cibles ont révélé les impédances de charge optimales.
Impédances Optimales (Référence Générateur de Courant)
Conception du Réseau d'Adaptation d'Entrée
Le réseau d'adaptation d'entrée transforme l'impédance système 50Ω en impédance source optimale tout en fournissant l'insertion de polarisation DC et la stabilité.
Valeurs des Composants du Réseau d'Entrée
Adaptation Primaire :
- • L1: 3.9 nH (série)
- • C1: 1.8 pF (parallèle)
- • L2: 2.2 nH (série)
- • C2: 0.8 pF (parallèle)
Stabilité et Polarisation :
- • R_stab: 10 Ω (série)
- • C_stab: 100 pF (série)
- • L_bias: 100 nH (bobine RF)
- • C_bias: 1000 pF (bypass)
Conception du Réseau d'Adaptation de Sortie
Le réseau d'adaptation de sortie est plus complexe que l'entrée en raison des niveaux de puissance plus élevés, du contenu harmonique et du besoin de suppression des harmoniques. Notre conception utilise une approche multi-sections combinant adaptation fondamentale et terminaison harmonique.
- Perte de retour en sortie meilleure que -12 dB sur toute la bande
- Suppression de la 2ème harmonique dépassant -30 dBc
- Suppression de la 3ème harmonique dépassant -35 dBc
Réseau de Polarisation et Conception Thermique
La conception thermique est critique pour le niveau de puissance de 10W. La polarisation de grille est réglée à -2.8V pour un fonctionnement en classe AB, offrant un compromis entre efficacité et linéarité.
Gestion Thermique
- PCB multicouche avec nombreux vias thermiques
- Large plan de masse comme dissipateur thermique
- Élévation de température de jonction prédite : 65°C au-dessus de l'ambiante
Disposition et Implémentation du PCB
La disposition du PCB haute fréquence nécessite une attention particulière à la conception des lignes de transmission, au placement des vias et à la gestion thermique.
Spécifications de Conception PCB
- • Layer 1: RO4350B (0.1mm)
- • Layer 2: FR-4 Ground (0.1mm)
- • Layer 3: FR-4 Power (0.1mm)
- • Layer 4: RO4350B (0.1mm)
- • Épaisseur totale: 0.8mm
- • Cuivre 2oz sur toutes les couches
- • Vias thermiques 0.2mm (48 au total)
- • Large plan de masse dissipateur thermique
- • Pad thermique 5×5mm
- • Rth(pcb): 15°C/W
Résultats de Mesure et Validation
Des mesures complètes ont validé les performances de conception par rapport aux spécifications. Tous les résultats mesurés ont atteint ou dépassé les spécifications de conception.
Résultats Mesurés vs. Simulés
| Paramètre | Spéc. | Simulé | Mesuré |
|---|---|---|---|
| Gain @ 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 ✓ |
| 2ème Harmonique | <-30 dBc | -32 dBc | -31 dBc ✓ |
Leçons de Conception Apprises
Défis Clés et Solutions
Défi : Gestion thermique
- • Solution : Réseau de vias thermiques multicouche et large plan de masse
- • Impact : Température de jonction réduite de 15°C
Défi : Sensibilité aux tolérances des composants
- • Solution : Bande passante d'adaptation plus large et sélection des composants
- • Impact : Rendement amélioré de 85% à 96%
Défi : Conformité EMI/harmoniques
- • Solution : Filtrage harmonique amélioré et blindage
- • Impact : Tests CEM réussis avec 10 dB de marge
Aperçus de Conception Clés
- La sélection du composant est critique - considérer la densité de puissance, l'efficacité et le coût
- L'analyse de tirage de charge est essentielle pour optimiser l'efficacité et la puissance de sortie
- La gestion thermique devient dominante à des niveaux de puissance supérieurs à 5W
- Les tolérances des composants impactent significativement le rendement - concevoir pour la robustesse
- La suppression harmonique nécessite des réseaux de filtrage dédiés
Ressources Connexes
Utilisez nos calculateurs pour concevoir des réseaux d'adaptation pour vos projets d'amplificateur de puissance :
Articles Connexes
Principes de Conception Haute Fréquence
Concepts essentiels pour la conception de PCB haute fréquence et de circuits RF.
Techniques de Mesure d'Impédance
Découvrez les mesures VNA, l'analyse TDR et les tests d'intégrité du signal.
Guide d'Adaptation d'Impédance
Guide complet des techniques et réseaux d'adaptation d'impédance.
Techniques d'Adaptation d'Impédance PCB
Conception de réseaux en L, Pi, T et analyse de l'abaque de Smith.