Visão Geral e Especificações do Projeto
Este estudo de caso abrangente documenta o processo completo de projeto de um amplificador de potência de 2.4 GHz e 10W para aplicações WiFi 6. Nossa aplicação alvo requer alta eficiência (PAE>40%), excelente linearidade para sinais OFDM e desempenho térmico robusto em um fator de forma compacto.
Especificações de Projeto
- • Frequência: 2.4-2.5 GHz
- • Potência de Saída: 10W (40 dBm)
- • Ganho: 28 ± 1 dB
- • PAE: >40% @ P1dB
- • P1dB: >39 dBm
- • Tensão de Alimentação: 28V
- • EVM: <-25 dB (64-QAM)
- • Temp. de Operação: -40°C to +85°C
- • Tamanho: 15 × 10 mm maximum
- • Meta de Custo: <$8 em volume de 10K
Seleção e Análise de Transistor
A seleção do dispositivo é sem dúvida a decisão mais crítica no projeto de PA, impactando diretamente o desempenho, o custo e a complexidade do projeto. Para nossa aplicação de 2.4 GHz e 10W, avaliamos as tecnologias GaN HEMT, LDMOS e GaAs pHEMT.
Matriz de Comparação de Dispositivos
| Tecnologia | Densidade de Potência | Eficiência | Custo |
|---|---|---|---|
| GaN HEMT | 5-8 W/mm | 50-65% | $$$$ |
| LDMOS | 1-2 W/mm | 40-55% | $$ |
| GaAs pHEMT | 0.5-1 W/mm | 35-50% | $$$ |
Selecionado: Qorvo TGF2023-SM GaN sobre SiC HEMT - capacidade de 15W com excelente desempenho térmico (Rth = 8°C/W)
Modelagem de Dispositivo de Sinal Grande
A modelagem precisa do dispositivo é essencial para um projeto bem-sucedido de PA, particularmente para otimização de eficiência e previsão de linearidade. Simulações de carga na frequência e nível de potência alvo revelaram impedâncias de carga ótimas.
Impedâncias Ótimas (Referência Gerador de Corrente)
Projeto de Rede de Casamento de Entrada
A rede de casamento de entrada transforma a impedância do sistema de 50Ω para a impedância de fonte ótima enquanto fornece inserção de polarização DC e estabilidade.
Valores de Componentes da Rede de Entrada
Casamento Primário:
- • L1: 3.9 nH (série)
- • C1: 1.8 pF (shunt)
- • L2: 2.2 nH (série)
- • C2: 0.8 pF (shunt)
Estabilidade e Polarização:
- • R_stab: 10 Ω (série)
- • C_stab: 100 pF (série)
- • L_bias: 100 nH (choque RF)
- • C_bias: 1000 pF (bypass)
Projeto de Rede de Casamento de Saída
A rede de casamento de saída é mais desafiadora que a entrada devido a níveis de potência mais altos, conteúdo harmônico e a necessidade de supressão harmônica. Nosso projeto usa uma abordagem multisseção combinando casamento fundamental com terminação harmônica.
- Perda de retorno de saída melhor que -12 dB em toda a banda
- Supressão do 2º harmônico superior a -30 dBc
- Supressão do 3º harmônico superior a -35 dBc
Rede de Polarização e Projeto Térmico
O projeto térmico é crítico para o nível de potência de 10W. A polarização de porta é definida em -2.8V para operação Classe AB, fornecendo um compromisso entre eficiência e linearidade.
Gerenciamento Térmico
- PCB multicamadas com vias térmicas extensivas
- Plano de terra grande como dissipador de calor
- Aumento previsto de temperatura de junção: 65°C acima da ambiente
Layout e Implementação de PCB
O layout de PCB de alta frequência requer atenção cuidadosa ao projeto de linhas de transmissão, colocação de vias e gerenciamento térmico.
Especificações de Projeto de 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)
- • Espessura total: 0.8mm
- • Cobre 2oz em todas as camadas
- • Vias térmicas de 0.2mm (48 total)
- • Dissipador de plano de terra grande
- • Pad térmico 5×5mm
- • Rth(pcb): 15°C/W
Resultados de Medição e Validação
Medições abrangentes validaram o desempenho do projeto em relação às especificações. Todos os resultados medidos atenderam ou excederam as especificações de projeto.
Resultados Medidos vs. Simulados
| Parâmetro | Esp. | Simulado | Medido |
|---|---|---|---|
| Ganho @ 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 ✓ |
| 2º Harmônico | <-30 dBc | -32 dBc | -31 dBc ✓ |
Lições Aprendidas do Projeto
Desafios Principais e Soluções
Desafio: Gerenciamento térmico
- • Solução: Array de vias térmicas multicamadas e plano de terra grande
- • Impacto: Temperatura de junção reduzida em 15°C
Desafio: Sensibilidade a tolerância de componentes
- • Solução: Largura de banda de casamento mais ampla e triagem de componentes
- • Impacto: Rendimento melhorado de 85% para 96%
Desafio: Conformidade EMI/harmônica
- • Solução: Filtragem harmônica aprimorada e blindagem
- • Impacto: Testes EMC aprovados com margem de 10 dB
Percepções Chave de Projeto
- A seleção do dispositivo é crítica - considere densidade de potência, eficiência e custo
- A análise de carga é essencial para otimizar a eficiência e a potência de saída
- O gerenciamento térmico se torna dominante em níveis de potência acima de 5W
- As tolerâncias dos componentes impactam significativamente o rendimento - projete para robustez
- A supressão de harmônicos requer redes de filtragem dedicadas
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