Panoramica e Specifiche del Progetto
Questo caso di studio completo documenta il processo completo di progettazione di un amplificatore di potenza da 2.4 GHz e 10W per applicazioni WiFi 6. La nostra applicazione target richiede alta efficienza (PAE>40%), eccellente linearità per segnali OFDM e prestazioni termiche robuste in un fattore di forma compatto.
Specifiche di Progettazione
- • Frequenza: 2.4-2.5 GHz
- • Potenza di Uscita: 10W (40 dBm)
- • Guadagno: 28 ± 1 dB
- • PAE: >40% @ P1dB
- • P1dB: >39 dBm
- • Tensione di Alimentazione: 28V
- • EVM: <-25 dB (64-QAM)
- • Temp. di Funzionamento: -40°C to +85°C
- • Dimensione: 15 × 10 mm maximum
- • Obiettivo di Costo: <$8 in volume da 10K
Selezione e Analisi del Transistor
La selezione del dispositivo è probabilmente la decisione più critica nella progettazione PA, impattando direttamente prestazioni, costo e complessità di progettazione. Per la nostra applicazione da 2.4 GHz e 10W, abbiamo valutato le tecnologie GaN HEMT, LDMOS e GaAs pHEMT.
Matrice di Confronto dei Dispositivi
| Tecnologia | Densità di Potenza | Efficienza | Costo |
|---|---|---|---|
| GaN HEMT | 5-8 W/mm | 50-65% | $$$$ |
| LDMOS | 1-2 W/mm | 40-55% | $$ |
| GaAs pHEMT | 0.5-1 W/mm | 35-50% | $$$ |
Selezionato: Qorvo TGF2023-SM GaN su SiC HEMT - capacità di 15W con eccellenti prestazioni termiche (Rth = 8°C/W)
Modellazione di Dispositivo a Grande Segnale
La modellazione precisa del dispositivo è essenziale per una progettazione PA di successo, in particolare per l'ottimizzazione dell'efficienza e la previsione della linearità. Le simulazioni di carico alla frequenza e al livello di potenza target hanno rivelato impedenze di carico ottimali.
Impedenze Ottimali (Riferimento Generatore di Corrente)
Progettazione di Rete di Adattamento di Ingresso
La rete di adattamento di ingresso trasforma l'impedenza del sistema da 50Ω all'impedenza di sorgente ottimale fornendo al contempo inserimento di polarizzazione DC e stabilità.
Valori dei Componenti della Rete di Ingresso
Adattamento Primario:
- • L1: 3.9 nH (serie)
- • C1: 1.8 pF (shunt)
- • L2: 2.2 nH (serie)
- • C2: 0.8 pF (shunt)
Stabilità e Polarizzazione:
- • R_stab: 10 Ω (serie)
- • C_stab: 100 pF (serie)
- • L_bias: 100 nH (choke RF)
- • C_bias: 1000 pF (bypass)
Progettazione di Rete di Adattamento di Uscita
La rete di adattamento di uscita è più impegnativa dell'ingresso a causa di livelli di potenza più elevati, contenuto armonico e necessità di soppressione armonica. Il nostro progetto utilizza un approccio multisezione che combina adattamento fondamentale con terminazione armonica.
- Perdita di ritorno in uscita migliore di -12 dB su tutta la banda
- Soppressione della 2ª armonica superiore a -30 dBc
- Soppressione della 3ª armonica superiore a -35 dBc
Rete di Polarizzazione e Progettazione Termica
Il progetto termico è critico per il livello di potenza di 10W. La polarizzazione di gate è impostata a -2.8V per l'operazione in Classe AB, fornendo un compromesso tra efficienza e linearità.
Gestione Termica
- PCB multistrato con vie termiche estensive
- Piano di massa ampio come dissipatore di calore
- Aumento previsto della temperatura di giunzione: 65°C sopra l'ambiente
Layout e Implementazione di PCB
Il layout di PCB ad alta frequenza richiede attenzione attenta alla progettazione di linee di trasmissione, posizionamento delle vie e gestione termica.
Specifiche di Progettazione di 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)
- • Spessore totale: 0.8mm
- • Rame da 2oz su tutti gli strati
- • Vie termiche da 0.2mm (48 totali)
- • Dissipatore di piano di massa ampio
- • Pad termico 5×5mm
- • Rth(pcb): 15°C/W
Risultati di Misurazione e Validazione
Le misurazioni complete hanno validato le prestazioni di progettazione rispetto alle specifiche. Tutti i risultati misurati hanno soddisfatto o superato le specifiche di progettazione.
Risultati Misurati vs. Simulati
| Parametro | Spec | Simulato | Misurato |
|---|---|---|---|
| Guadagno @ 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 ✓ |
| 2ª Armonica | <-30 dBc | -32 dBc | -31 dBc ✓ |
Lezioni Apprese dalla Progettazione
Sfide Chiave e Soluzioni
Sfida: Gestione termica
- • Soluzione: Array di vie termiche multistrato e piano di massa ampio
- • Impatto: Temperatura di giunzione ridotta di 15°C
Sfida: Sensibilità alla tolleranza dei componenti
- • Soluzione: Larghezza di banda di adattamento più ampia e selezione dei componenti
- • Impatto: Resa migliorata dall'85% al 96%
Sfida: Conformità EMI/armonica
- • Soluzione: Filtraggio armonico migliorato e schermatura
- • Impatto: Test EMC superati con margine di 10 dB
Intuizioni Chiave di Progettazione
- La selezione del dispositivo è critica - considerare densità di potenza, efficienza e costo
- L'analisi di carico è essenziale per ottimizzare l'efficienza e la potenza di uscita
- La gestione termica diventa dominante a livelli di potenza superiori a 5W
- Le tolleranze dei componenti impattano significativamente la resa - progettare per la robustezza
- La soppressione armonica richiede reti di filtraggio dedicate
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