Обзор проекта и технические характеристики
Это всестороннее тематическое исследование документирует полный процесс проектирования усилителя мощности 2.4 ГГц 10 Вт для приложений WiFi 6. Наше целевое приложение требует высокой эффективности (PAE>40%), отличной линейности для сигналов OFDM и надежной тепловой производительности в компактном форм-факторе.
Проектные характеристики
- • Частота: 2.4-2.5 GHz
- • Выходная мощность: 10W (40 dBm)
- • Усиление: 28 ± 1 dB
- • PAE: >40% @ P1dB
- • P1dB: >39 dBm
- • Напряжение питания: 28V
- • EVM: <-25 dB (64-QAM)
- • Рабочая температура: -40°C to +85°C
- • Размер: 15 × 10 mm maximum
- • Целевая стоимость: <$8 объемом 10K
Выбор и анализ транзистора
Выбор устройства, возможно, является наиболее критическим решением в проектировании PA, непосредственно влияя на производительность, стоимость и сложность проектирования. Для нашего приложения 2.4 ГГц, 10 Вт мы оценили технологии GaN HEMT, LDMOS и GaAs pHEMT.
Матрица сравнения устройств
| Технология | Плотность мощности | Эффективность | Стоимость |
|---|---|---|---|
| GaN HEMT | 5-8 W/mm | 50-65% | $$$$ |
| LDMOS | 1-2 W/mm | 40-55% | $$ |
| GaAs pHEMT | 0.5-1 W/mm | 35-50% | $$$ |
Выбрано: Qorvo TGF2023-SM GaN на SiC HEMT - мощность 15 Вт с отличной тепловой производительностью (Rth = 8°C/W)
Моделирование устройства больших сигналов
Точное моделирование устройства необходимо для успешного проектирования PA, особенно для оптимизации эффективности и прогнозирования линейности. Моделирование согласования нагрузки на целевой частоте и уровне мощности выявило оптимальные импедансы нагрузки.
Оптимальные импедансы (источник тока)
Проектирование входной согласующей сети
Входная согласующая сеть преобразует системный импеданс 50Ω в оптимальный импеданс источника, обеспечивая при этом вставку смещения постоянного тока и стабильность.
Значения компонентов входной сети
Первичное согласование:
- • L1: 3.9 nH (последовательно)
- • C1: 1.8 pF (шунт)
- • L2: 2.2 nH (последовательно)
- • C2: 0.8 pF (шунт)
Стабильность и смещение:
- • R_stab: 10 Ω (последовательно)
- • C_stab: 100 pF (последовательно)
- • L_bias: 100 nH (ВЧ дроссель)
- • C_bias: 1000 pF (развязка)
Проектирование выходной согласующей сети
Выходная согласующая сеть более сложна, чем входная, из-за более высоких уровней мощности, гармонического содержания и необходимости подавления гармоник. Наш проект использует многосекционный подход, сочетающий фундаментальное согласование с гармонической терминацией.
- Обратные потери на выходе лучше -12 дБ по всей полосе
- Подавление 2-й гармоники более -30 дБн
- Подавление 3-й гармоники более -35 дБн
Сеть смещения и тепловое проектирование
Тепловой расчет критичен для уровня мощности 10 Вт. Смещение затвора установлено на -2.8В для работы в классе AB, обеспечивая компромисс между эффективностью и линейностью.
Терморегулирование
- Многослойная печатная плата с тепловыми переходами
- Большая заземляющая плоскость как теплораспределитель
- Прогнозируемое повышение температуры перехода: 65°C выше окружающей
Топология и реализация PCB
Топология высокочастотной печатной платы требует тщательного внимания к проектированию линий передачи, размещению переходов и терморегулированию.
Технические характеристики проектирования 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)
- • Общая толщина: 0.8mm
- • 2oz медь на всех слоях
- • 0.2мм тепловые переходы (48 всего)
- • Большой теплораспределитель заземления
- • Тепловая площадка 5×5мм
- • Rth(pcb): 15°C/W
Результаты измерений и валидация
Комплексные измерения подтвердили соответствие проектных характеристик спецификациям. Все измеренные результаты соответствовали или превосходили проектные спецификации.
Измеренные против смоделированных результатов
| Параметр | Спец. | Смоделировано | Измерено |
|---|---|---|---|
| Усиление @ 2.45 ГГц | 28 ± 1 dB | 28.5 dB | 28.2 dB ✓ |
| PAE @ 10W | >40% | 45% | 42% ✓ |
| P1dB | >39 dBm | 39.8 dBm | 39.5 dBm ✓ |
| 2-я гармоника | <-30 dBc | -32 dBc | -31 dBc ✓ |
Уроки проектирования
Основные проблемы и решения
Проблема: Терморегулирование
- • Решение: Многослойный массив тепловых переходов и большая заземляющая плоскость
- • Влияние: Снижение температуры перехода на 15°C
Проблема: Чувствительность к допускам компонентов
- • Решение: Более широкая полоса согласования и отбор компонентов
- • Влияние: Улучшен выход с 85% до 96%
Проблема: Соответствие EMI/гармоникам
- • Решение: Улучшенная гармоническая фильтрация и экранирование
- • Влияние: Прошел тесты EMC с запасом 10 дБ
Ключевые идеи проектирования
- Выбор устройства критичен - учитывайте плотность мощности, эффективность и стоимость
- Анализ согласования нагрузки необходим для оптимизации эффективности и выходной мощности
- Терморегулирование становится доминирующим фактором при уровнях мощности выше 5 Вт
- Допуски компонентов значительно влияют на выход - проектируйте с учетом надежности
- Подавление гармоник требует специальных фильтрующих цепей
Связанные ресурсы
Используйте наши калькуляторы для проектирования согласующих сетей для ваших проектов усилителей мощности:
Связанные статьи
Принципы высокочастотного проектирования
Основные концепции проектирования высокочастотных печатных плат и РЧ схем.
Методы измерения импеданса
Узнайте о измерениях VNA, анализе TDR и тестировании целостности сигнала.
Руководство по согласованию импеданса
Всеобъемлющее руководство по методам и сетям согласования импеданса.
Методы согласования импеданса PCB
Проектирование L-сетей, Pi-сетей, T-сетей и анализ диаграммы Смита.