项目概述和规格
本案例研究详细记录了用于WiFi 6应用的2.4 GHz、10W功率放大器的完整设计过程。目标应用要求高效率（PAE>40%）、出色的OFDM信号线性度，以及在紧凑外形中的稳健热性能。
设计规格
射频性能
- • 频率: 2.4-2.5 GHz
- • 输出功率: 10W (40 dBm)
- • 增益: 28 ± 1 dB
- • PAE: >40% @ P1dB
- • P1dB: >39 dBm
系统要求
- • 电源电压: 28V
- • EVM: <-25 dB (64-QAM)
- • 工作温度: -40°C to +85°C
- • 尺寸: 最大15 × 10 mm
- • 成本目标: <$8 （万片量）
晶体管选择与分析
器件选择可以说是PA设计中最关键的决策，直接影响性能、成本和设计复杂度。对于我们的2.4 GHz、10W应用，我们评估了GaN HEMT、LDMOS和GaAs pHEMT技术。
器件比较矩阵
| 技术 | 功率密度 | 效率 | 成本 |
|---|---|---|---|
| GaN HEMT | 5-8 W/mm | 50-65% | $$$$ |
| LDMOS | 1-2 W/mm | 40-55% | $$ |
| GaAs pHEMT | 0.5-1 W/mm | 35-50% | $$$ |
选定： Qorvo TGF2023-SM GaN on SiC HEMT - 15W能力，出色的热性能（Rth = 8°C/W）
大信号器件建模
准确的器件建模对于成功的PA设计至关重要，特别是对于效率优化和线性度预测。在目标频率和功率电平下的负载牵引仿真揭示了最佳负载阻抗。
最佳阻抗（电流发生器参考）
负载阻抗 (ZL)
15 + j8 Ω
峰值PAE: 58%
源阻抗 (ZS)
5 - j3 Ω
最大增益、稳定性
输入匹配网络设计
输入匹配网络将50Ω系统阻抗变换到最佳源阻抗，同时提供直流偏置注入和稳定性。
输入网络元件值
主匹配：
- • L1: 3.9 nH (串联)
- • C1: 1.8 pF (并联)
- • L2: 2.2 nH (串联)
- • C2: 0.8 pF (并联)
稳定与偏置：
- • R_stab: 10 Ω (串联)
- • C_stab: 100 pF (串联)
- • L_bias: 100 nH (射频扼流)
- • C_bias: 1000 pF (旁路)
仿真结果：S11 < -15 dB, K > 1.5, 增益 = 12 dB
输出匹配网络设计
由于更高的功率电平、谐波含量以及谐波抑制的需求，输出匹配网络比输入更具挑战性。我们的设计采用多节方法，结合基波匹配和谐波终端。
- 全频段输出回波损耗优于-12 dB
- 二次谐波抑制超过-30 dBc
- 三次谐波抑制超过-35 dBc
偏置网络与热设计
热设计对于10W功率电平至关重要。栅极偏置设置为-2.8V以实现AB类工作，在效率和线性度之间取得折衷。
热管理
- 多层PCB配合大量热过孔
- 大面积接地平面作为散热器
- 预测结温升：高于环境温度65°C
PCB布局与实现
高频PCB布局需要仔细关注传输线设计、过孔放置和热管理。
PCB设计规格
叠层设计
- • Layer 1: RO4350B (0.1mm)
- • Layer 2: FR-4 Ground (0.1mm)
- • Layer 3: FR-4 Power (0.1mm)
- • Layer 4: RO4350B (0.1mm)
- • 总厚度: 0.8mm
热特性
- • 所有层2oz铜
- • 0.2mm热过孔（共48个）
- • 大面积接地平面散热器
- • 热焊盘5×5mm
- • Rth(pcb): 15°C/W
测量结果与验证
全面的测量验证了设计性能符合规格。所有测量结果均达到或超过设计规格。
测量与仿真结果对比
| 参数 | 规格 | 仿真 | 测量 |
|---|---|---|---|
| 增益 @ 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 ✓ |
| 二次谐波 | <-30 dBc | -32 dBc | -31 dBc ✓ |
设计经验教训
主要挑战与解决方案
挑战：热管理
- • 解决方案：多层热过孔阵列和大面积接地平面
- • 影响：结温降低15°C
挑战：元件公差敏感性
- • 解决方案：更宽的匹配带宽和元件筛选
- • 影响：良率从85%提高到96%
挑战：EMI/谐波合规
- • 解决方案：增强的谐波滤波和屏蔽
- • 影响：以10 dB余量通过EMC测试
关键设计见解
- 器件选择至关重要——考虑功率密度、效率和成本
- 负载牵引分析对于优化效率和输出功率至关重要
- 功率电平超过5W时热管理成为主导因素
- 元件公差显著影响良率——设计要有鲁棒性
- 谐波抑制需要专用滤波网络