プロジェクト概要と仕様
この包括的なケーススタディは、WiFi 6アプリケーション向けの2.4 GHz、10Wパワーアンプの完全な設計プロセスを記録しています。ターゲットアプリケーションは、高効率（PAE>40%）、OFDM信号の優れた線形性、およびコンパクトな形状での堅牢な熱性能を必要とします。
設計仕様
- • 周波数: 2.4-2.5 GHz
- • 出力電力: 10W (40 dBm)
- • ゲイン: 28 ± 1 dB
- • PAE: >40% @ P1dB
- • P1dB: >39 dBm
- • 電源電圧: 28V
- • EVM: <-25 dB (64-QAM)
- • 動作温度: -40°C to +85°C
- • サイズ: 最大15 × 10 mm
- • コスト目標: <$8 （10K量産時）
トランジスタ選択と分析
デバイス選択はPA設計における最も重要な決定事項であり、性能、コスト、設計の複雑さに直接影響します。2.4 GHz、10Wアプリケーションでは、GaN HEMT、LDMOS、GaAs pHEMT技術を評価しました。
デバイス比較マトリックス
| 技術 | 電力密度 | 効率 | コスト |
|---|---|---|---|
| GaN HEMT | 5-8 W/mm | 50-65% | $$$$ |
| LDMOS | 1-2 W/mm | 40-55% | $$ |
| GaAs pHEMT | 0.5-1 W/mm | 35-50% | $$$ |
選択： Qorvo TGF2023-SM GaN on SiC HEMT - 15W能力、優れた熱性能（Rth = 8°C/W）
大信号デバイスモデリング
正確なデバイスモデリングはPA設計の成功に不可欠であり、特に効率最適化と線形性予測において重要です。ターゲット周波数と電力レベルでのロードプルシミュレーションにより、最適な負荷インピーダンスが明らかになりました。
最適インピーダンス（電流源基準）
入力整合ネットワーク設計
入力整合ネットワークは、50Ωシステムインピーダンスを最適なソースインピーダンスに変換すると同時に、DCバイアス注入と安定性を提供します。
入力ネットワーク部品値
主整合：
- • L1: 3.9 nH (直列)
- • C1: 1.8 pF (並列)
- • L2: 2.2 nH (直列)
- • C2: 0.8 pF (並列)
安定性とバイアス：
- • R_stab: 10 Ω (直列)
- • C_stab: 100 pF (直列)
- • L_bias: 100 nH (RFチョーク)
- • C_bias: 1000 pF (バイパス)
出力整合ネットワーク設計
出力整合ネットワークは、より高い電力レベル、高調波成分、および高調波抑制の必要性により、入力よりも困難です。我々の設計は、基本波整合と高調波終端を組み合わせた多段階アプローチを使用しています。
- 全帯域で-12 dB以上の出力リターンロス
- 2次高調波抑制が-30 dBcを超える
- 3次高調波抑制が-35 dBcを超える
バイアスネットワークと熱設計
熱設計は10W電力レベルにとって重要です。ゲートバイアスは、効率と線形性の間のバランスを取るため、クラスAB動作用に-2.8Vに設定されています。
熱管理
- 多層PCBと広範な熱ビア
- ヒートスプレッダとしての大面積グランドプレーン
- 予測ジャンクション温度上昇：環境温度より65°C
PCBレイアウトと実装
高周波PCBレイアウトには、伝送線設計、ビア配置、熱管理への細心の注意が必要です。
PCB設計仕様
- • Layer 1: RO4350B (0.1mm)
- • Layer 2: FR-4 Ground (0.1mm)
- • Layer 3: FR-4 Power (0.1mm)
- • Layer 4: RO4350B (0.1mm)
- • 総厚: 0.8mm
- • 全層2ozの銅
- • 0.2mm熱ビア（合計48個）
- • 大面積グランドプレーンヒートスプレッダ
- • サーマルパッド5×5mm
- • Rth(pcb): 15°C/W
測定結果と検証
包括的な測定により、仕様に対する設計性能が検証されました。すべての測定結果は設計仕様を満たすか、それを超えました。
測定値とシミュレーション値の比較
| パラメータ | 仕様 | シミュレーション | 測定値 |
|---|---|---|---|
| ゲイン @ 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次高調波 | <-30 dBc | -32 dBc | -31 dBc ✓ |
設計から得られた教訓
主な課題と解決策
課題：熱管理
- • 解決策：多層熱ビアアレイと大面積グランドプレーン
- • 影響：ジャンクション温度を15°C低減
課題：部品公差感度
- • 解決策：より広い整合帯域幅と部品選別
- • 影響：歩留まりが85%から96%に向上
課題：EMI/高調波適合性
- • 解決策：強化された高調波フィルタリングとシールド
- • 影響：10 dBのマージンでEMCテストに合格
主な設計洞察
- デバイス選択は重要 - 電力密度、効率、コストを考慮
- ロードプル解析は効率と出力電力の最適化に不可欠
- 5W以上の電力レベルでは熱管理が支配的要因になる
- 部品公差は歩留まりに大きく影響 - 堅牢性を考慮した設計を
- 高調波抑制には専用フィルタリングネットワークが必要