프로젝트 개요 및 사양
이 포괄적인 사례 연구는 WiFi 6 애플리케이션을 위한 2.4 GHz, 10W 전력 증폭기의 완전한 설계 프로세스를 문서화합니다. 목표 애플리케이션은 높은 효율(PAE>40%), OFDM 신호에 대한 우수한 선형성, 소형 폼 팩터에서의 견고한 열 성능을 요구합니다.
설계 사양
- • 주파수: 2.4-2.5 GHz
- • 출력 전력: 10W (40 dBm)
- • 이득: 28 ± 1 dB
- • PAE: >40% @ P1dB
- • P1dB: >39 dBm
- • 공급 전압: 28V
- • EVM: <-25 dB (64-QAM)
- • 동작 온도: -40°C to +85°C
- • 크기: 15 × 10 mm maximum
- • 비용 목표: <$8 10K 수량
트랜지스터 선택 및 분석
장치 선택은 PA 설계에서 가장 중요한 결정으로, 성능, 비용 및 설계 복잡성에 직접적인 영향을 미칩니다. 2.4 GHz, 10W 애플리케이션을 위해 GaN HEMT, LDMOS 및 GaAs pHEMT 기술을 평가했습니다.
장치 비교 매트릭스
| 기술 | 전력 밀도 | 효율 | 비용 |
|---|---|---|---|
| GaN HEMT | 5-8 W/mm | 50-65% | $$$$ |
| LDMOS | 1-2 W/mm | 40-55% | $$ |
| GaAs pHEMT | 0.5-1 W/mm | 35-50% | $$$ |
선택됨: Qorvo TGF2023-SM GaN on SiC HEMT - 우수한 열 성능(Rth = 8°C/W)을 갖춘 15W 용량
대신호 장치 모델링
정확한 장치 모델링은 성공적인 PA 설계에 필수적이며, 특히 효율 최적화 및 선형성 예측에 중요합니다. 목표 주파수 및 전력 수준에서의 부하 풀 시뮬레이션은 최적 부하 임피던스를 밝혀냈습니다.
최적 임피던스 (전류 생성기 기준)
입력 정합 네트워크 설계
입력 정합 네트워크는 50Ω 시스템 임피던스를 최적 소스 임피던스로 변환하면서 DC 바이어스 삽입 및 안정성을 제공합니다.
입력 네트워크 구성 요소 값
주 정합:
- • L1: 3.9 nH (직렬)
- • C1: 1.8 pF (병렬)
- • L2: 2.2 nH (직렬)
- • C2: 0.8 pF (병렬)
안정성 및 바이어스:
- • R_stab: 10 Ω (직렬)
- • C_stab: 100 pF (직렬)
- • L_bias: 100 nH (RF 초크)
- • C_bias: 1000 pF (바이패스)
출력 정합 네트워크 설계
출력 정합 네트워크는 더 높은 전력 수준, 고조파 콘텐츠 및 고조파 억제의 필요성으로 인해 입력보다 더 어렵습니다. 우리의 설계는 기본 정합과 고조파 종단을 결합한 다중 섹션 접근 방식을 사용합니다.
- 전체 대역에서 -12 dB 이상의 출력 반사 손실
- 2차 고조파 억제 -30 dBc 초과
- 3차 고조파 억제 -35 dBc 초과
바이어스 네트워크 및 열 설계
열 설계는 10W 전력 수준에서 중요합니다. 게이트 바이어스는 효율과 선형성 간의 절충안을 제공하는 Class AB 작동을 위해 -2.8V로 설정됩니다.
열 관리
- 광범위한 열 비아가 있는 다층 PCB
- 열 확산기로서의 대형 접지면
- 예측 접합 온도 상승: 주변 온도보다 65°C 높음
PCB 레이아웃 및 구현
고주파 PCB 레이아웃은 전송 선로 설계, 비아 배치 및 열 관리에 세심한 주의가 필요합니다.
PCB 설계 사양
- • Layer 1: RO4350B (0.1mm)
- • Layer 2: FR-4 Ground (0.1mm)
- • Layer 3: FR-4 Power (0.1mm)
- • Layer 4: RO4350B (0.1mm)
- • 총 두께: 0.8mm
- • 모든 레이어에 2oz 구리
- • 0.2mm 열 비아 (총 48개)
- • 대형 접지면 방열판
- • 열 패드 5×5mm
- • Rth(pcb): 15°C/W
측정 결과 및 검증
포괄적인 측정은 사양에 대한 설계 성능을 검증했습니다. 모든 측정 결과는 설계 사양을 충족하거나 초과했습니다.
측정값 대 시뮬레이션 값
| 매개변수 | 사양 | 시뮬레이션 | 측정값 |
|---|---|---|---|
| 이득 @ 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 ✓ |
| 2차 고조파 | <-30 dBc | -32 dBc | -31 dBc ✓ |
설계에서 얻은 교훈
주요 과제 및 솔루션
과제: 열 관리
- • 해결책: 다층 열 비아 어레이 및 대형 접지면
- • 영향: 접합 온도 15°C 감소
과제: 부품 공차 감도
- • 해결책: 더 넓은 정합 대역폭 및 부품 선별
- • 영향: 수율이 85%에서 96%로 향상
과제: EMI/고조파 준수
- • 해결책: 향상된 고조파 필터링 및 차폐
- • 영향: 10 dB 여유로 EMC 테스트 통과
주요 설계 통찰
- 장치 선택이 중요합니다 - 전력 밀도, 효율 및 비용을 고려하십시오
- 부하 풀 분석은 효율과 출력 전력 최적화에 필수적입니다
- 5W를 초과하는 전력 수준에서 열 관리가 지배적 요인이 됩니다
- 부품 공차는 수율에 큰 영향을 미칩니다 - 견고성을 위해 설계하십시오
- 고조파 억제에는 전용 필터링 네트워크가 필요합니다