Dinamik yük hattı GaN HEMT modeline dayalı harmonik ayarlı güç amplifikatörünün tasarımı
Kablosuz iletişim teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte, alıcı-verici sistemde vazgeçilmez birim modüllerden biri olan radyo frekansı güç amplifikatörü çok önemli bir rol oynamaktadır. Genellikle bir güç amplifikatörünün performansını ölçmek için en önemli teknik göstergeler arasında verimlilik, çıkış gücü, kazanç, doğrusallık vb. Yer alır; bunlar arasında yüksek verimli güç amplifikatörleri, güç amplifikatörü tasarımı alanında her zaman sıcak bir araştırma yönü olmuştur. Son yıllarda araştırmalar, temel empedansa ek olarak, uygun giriş ve çıkış harmonik empedanslarının da güç amplifikatörlerinin verimliliğini artırmada çok önemli bir etkiye sahip olduğunu bulmuştur. Güç amplifikatörünün harmonik empedansını etkin bir şekilde kontrol ederek yüksek verimlilik sağlayan ortak harmonik ayarlı güç amplifikatörü kategorileri arasında J, F / ters F, E, vb. Bulunur.
GaN malzemesi geniş bant aralığı, yüksek kırılma alanı kuvveti, yüksek termal iletkenlik ve yüksek tepe elektron sürüklenme hızı özelliklerine sahip olduğundan, yüksek sıcaklık, yüksek frekans ve yüksek güç amplifikatörünün çalışma gereksinimlerini iyi karşılayabilir, bu nedenle GaN HEMT'ye dayalı güç Amplifikatörler giderek daha fazla araştırma yapıyor. Bununla birlikte, güç amplifikatörü tasarımı için Şekil 1'de gösterildiği gibi paketlenmiş transistörü kullanırken, parazitik parametrelerin ve paketleme parametrelerinin etkisinden dolayı, tasarımcılar genellikle yalnızca transistör cihazının uç yüzüne dayalı olarak analiz ve tasarım yapabilirler. Ancak teorik kesinti yoluyla elde edilen empedans koşulları, boşaltma akımı ve voltaj dalga biçimleri, ideal transistör akım kaynağı uç yüzünün analizine dayanmaktadır. Bu nedenle, gerçek tasarım sürecinde, tasarımcılar teorik değerlere dayalı olarak basitçe analiz ve tasarım yapamazlar. Parazitik dengeleme yöntemi, mevcut kaynağın uç yüzünden analiz ve tasarım yapmak için kullanılabilmesine rağmen, bu yöntem, transistörün doğru parazitik parametrelerinin ve paketleme parametrelerinin bilinmesini gerektirir. Bununla birlikte, gerçek transistörlerin doğru parazitik parametrelerini ve paketleme parametrelerini elde etmek, çalışma frekansı ve sıcaklık gibi faktörler nedeniyle genellikle zordur.
Bu amaçla, bu makale, transistör parazitik parametreleri ve paketleme parametreleri bilinmediğinde, yüksek verimli harmonik ayarlı güç amplifikatörlerinin tasarlanması için bir yöntem önermektedir. Yük çekme teknolojisi ile transistör cihazının uç yüzünün en iyi empedans durumunu belirleyin ve ilgili eşleşen ağı tasarlayın ve ardından dinamik yük hattı GaN HEMT modeli ile elde edilen akım kaynağı uç yüzünün akım ve voltaj dalga formlarına göre güç amplifikatörünün genel devresini ayarlayın ve optimize edin. Yüksek verimli harmonik ayarlı güç amplifikatörü.
1 Tasarım prensibi
1.1 Harmonik ayar güç amplifikatörü
Harmonik ayarlı güç amplifikatörü, temel olarak, yüksek harmonik empedansı kontrol ederek, ikisinin örtüşmesini azaltarak ve güç amplifikatörünün verimliliğini artırmak için cihaz kaybını azaltarak güç amplifikatörünün boşaltma akımının ve voltaj dalga formunun şekillendirilmesini gerçekleştirmektir. Verimliliği şu şekilde ifade edilebilir:
Formül (1) 'den, harmonik ayarlı güç amplifikatörünün verimliliğinin DC güç tüketimini ve harmonik çıkış gücünü düşürerek ve temel dalga çıkış gücünü artırarak iyileştirilebileceği görülebilir.
1.2 Dinamik yük hattı GaN HEMT modeli
Güç amplifikatörlerinin tasarımını ve optimizasyonunu kolaylaştırmak amacıyla Cree, GaN HEMT cihazları için dinamik bir yük hattı büyük sinyal modeli geliştirdi. Geçit, boşaltma ve kaynak bağlantı noktalarına ek olarak model ayrıca sıcaklık, iç boşaltma akımı ve iç boşaltma voltajı için bağlantı noktaları ekler. İç drenaj akımı ve iç drenaj voltaj portları sayesinde, akım kaynağının uç yüzündeki akım ve gerilim dalga biçimleri, parazitik etkilerden etkilenmeden kolayca elde edilebilir. Bu, güç amplifikatörünün çalışma kategorisini ve performansını doğrulamak için çok önemlidir.
2 En iyi harmonik empedansın analizi ve belirlenmesi
Bu tasarımda Cree tarafından sağlanan CGH40010F dinamik yük hattı GaN HEMT modeli seçilmiştir.İlk olarak ADS harmonik çekme teknolojisine dayalı olarak transistör cihazının uç yüzünün karşılaması gereken en iyi harmonik empedans koşulu belirlenir.
Çünkü güç amplifikatörünün gerçek tasarımında, sonsuz harmoniklerin kontrolü elde edilemez ve daha yüksek harmoniklerin işlenmesinde performans artışı çok sınırlıdır.Aynı zamanda, daha karmaşık bir harmonik ayar ağı gereklidir ve ortaya çıkan kayıp işlemi bile aşabilir. Daha yüksek harmoniklerle geliştirilmiş performans. Bu nedenle, güç amplifikatörü performansı ve devre karmaşıklığı dikkate alındığında, bu tasarım yalnızca güç amplifikatörünün ikinci ve üçüncü harmonik yük empedansını ve ikinci harmonik kaynak empedansını analiz eder ve ayarlar.
Harmonik çekme, transistör cihazlarının uç yüzlerindeki farklı yansıma katsayı fazları (farklı harmonik empedanslar) altında çıkış gücü ve verimlilikteki değişiklikleri belirleyebilir. Yükün ikinci ve üçüncü harmonik yansıma katsayısı fazı ile güç amplifikatörünün çıkış gücü ve katma güç veriminin değişimi sırasıyla Şekil 2 ve Şekil 3'te gösterilmiştir.
Şekil 2'den, ikinci harmonik yük empedansının ilave güç verimliliği üzerindeki etkisinin% 30'dan daha fazlasına ulaşabileceği ve çıkış gücü üzerindeki etkinin yaklaşık 2,5 dBm olduğu görülebilir. Bunların arasında 60 ° 120 °, yüksek verimli faz alanıdır. Şekil 3'ten görülebileceği gibi, üçüncü harmonik yük empedansı, güç amplifikatörünün verimliliği ve çıkış gücü üzerinde ikinci harmonik yük empedansından daha küçük bir etkiye sahiptir, ancak yine de güç katma verimliliği üzerinde yaklaşık% 10 ve çıkış gücü üzerinde 0,65 oranında bir etkiye sahiptir. Etki dBm civarındadır. Simülasyon sonuçlarından, yükün üçüncü harmoniğinin düşük verimli faz bölgesi 225 ° civarında olduğu görülebilir. Bu nedenle tasarım sürecinde üçüncü harmonik yük empedansını faz alanı dışında yapmaya çalışın.
Ek olarak, ikinci harmonik kaynak empedansının güç amplifikatörünün performansı üzerindeki etkisi de analiz edilir ve traksiyon sonuçları Şekil 4'te gösterilir. Farklı kaynak yansıma katsayısı fazları altında, güç amplifikatörünün değişken aralığı, ek verimlilik ve çıkış gücünün% 10 ve 0,8 dBm'ye ulaşabileceği ve etkisinin üçüncü harmonik yük empedansının etkisini bile aştığı görülebilir. Bu nedenle tasarım sürecinde ikinci harmonik kaynağın empedansı da tam olarak dikkate alınmalıdır.Bu tasarım kaynağının ikinci harmoniğinin yüksek verimli faz bölgesi 230 ° 300 ° 'dir.
3 Devre tasarımı ve simülasyon
Yukarıdaki analize dayalı olarak, 2 GHz'de çalışan harmonik ayarlı bir güç amplifikatörü tasarlanmıştır. Güç amplifikatörünün genel devresi, esas olarak bir öngerilim devresi, bir harmonik kontrol ağı ve giriş ve çıkış temel dalga eşleştirme devrelerini içeren Şekil 5'te gösterilmektedir. Ek olarak, güç amplifikatörünün kararlılığını sağlamak için transistörün girişine seri olarak bir RC paralel ağı bağlanır. Bunların arasında, geçit öngerilim devresi boşaltma öngerilim devresine benzer.Her ikisi de yüksek frekanslı kapasitör topraklaması yerine fan şeklinde mikroşerit hatları (Stub2, Stub4) kullanır ve ardından tabanı elde etmek için 1/4 dalga boyu hatlarının (TL5, TL8) empedans dönüştürme işlevini kullanır Radyo frekansı sinyalinin sızmasını önlemek için dalga sinyalini açın. Aynı zamanda, güç amplifikatörünün kararlılığını daha da iyileştirmek için 200 direnç R2, kapı öngerilim devresine seri olarak bağlanır. C2 ~ C7, DC güç kaynağının kararlılığını iyileştirmek ve dağınıklık sinyallerinin güç amplifikatörünün performansı üzerindeki etkisini azaltmak için filtre kapasitörleridir. Drenaj kaynağı voltajı VDS ve geçit kaynağı voltajı VGS sırasıyla 28 V ve -2,8 V'dir Bu sırada, boşaltma durgun akımı 154 mA'dır ve önyargı derin AB sınıfındadır.
3.1 Harmonik ayar ağının tasarımı
Yüksek verim elde etmek için, harmonik empedansı belirlenen yüksek verimli faz bölgesine ayarlamak için uygun bir giriş ve çıkış harmonik ayar ağı tasarlamak gerekir. Devre karmaşıklığını ve boyutunu azaltmak için, Şekil 5'te gösterildiği gibi, harmonik ayar ağı ve öngerilim devresi devrenin bir bölümünü paylaşır. Kapı ve boşaltma öngerilim devrelerine sırasıyla fan şeklinde bir mikroşerit hattı Stub1 ve Stub3 yükleyerek, kaynak ikinci harmonik kısa devre ve yük ikinci harmonik kısa devre B ve A noktalarında gerçekleştirilir. Yükün üçüncü harmoniğini ayarlamak için, A noktasındaki üçüncü harmonik kısa devreyi gerçekleştirmek için çıkış harmonik ayar ağına paralel olarak bir 1/12 dalga boyu hattı TL7 bağlanır. A noktası ve B noktası sırasıyla yük ikinci ve üçüncü harmoniklerle ve kaynak ikinci harmonik kısa devre ile karşılaştığında, harmonik kaynak empedansını ve harmonik yük empedansını ayarlamak için transistör kapısı ve tahliye mikro şerit hatları TL4 ve TL6 ile seri olarak bağlanır. .
TL4 ve TL6 serisi mikroşerit hatları uygun bir uzunluk ve genişliğe ayarlandığında, harmonik ayar ağı tarafından elde edilen harmonik empedans Şekil 6'da gösterilmektedir. 1,95 2,05 GHz temel frekans aralığında, ikinci ve üçüncü harmonik yük empedansı sırasıyla 83 ° 120 ° ve 60 ° 65 ° faz alanına düşer ve ikinci harmonik kaynak empedansı 230 ° 251 ° faz alanına düşer Üçü de belirlenen yüksek verimli faz alanı içindedir. Yani, tasarlanan harmonik ayar ağı, güç amplifikatörünün harmonik empedans gereksinimlerini iyi bir şekilde karşılayabilir.
3.2 Temel dalga eşleştirme ağının tasarımı
A noktası, yükün ikinci ve üçüncü harmonik kısa devresinin empedans koşulunu karşıladığından, B noktası, kaynağın ikinci harmonik kısa devresinin empedans koşulunu karşılar. Yani, daha sonra tasarlanan temel dalga eşleştirme devresi, belirlenen harmonik empedansı etkilemeyecektir. Bu nedenle, tasarlanan harmonik ayar ağı, B noktasındaki en iyi temel dalga kaynağı empedansını ve güç amplifikatörünün A noktasındaki en iyi temel dalga yük empedansını belirlemek için temel dalga yükü çekme devresine eklenebilir. Çekiş ile elde edilen en iyi temel kaynak empedansı ve yük empedansı sırasıyla (338.35-j · 0) ve (14.25-j · 4.14) 'dir Bu sırada güç amplifikatörüne karşılık gelen güç katma verimliliği% 84.75 ve çıkış gücü 39.98 dBm'dir. Belirlenen optimal temel dalga kaynağı empedansına ve temel dalga yük empedansına göre, giriş ve çıkış temel dalga eşleştirme ağlarının tasarımını tamamlamak için sırasıyla bir merdiven empedans eşleştirme ağı ve L şeklinde bir eşleştirme ağı seçilir.
3.3 Güç amplifikatörünün genel simülasyonu
Güç amplifikatörünün genel devresinin ayarlanması ve optimizasyonu yoluyla, giriş gücü 27 dBm olduğunda, transistör akım kaynağı uç yüzünün akım ve gerilim dalga formları, Şekil 7'de gösterildiği gibi dinamik yük hattı GaN HEMT modeline göre elde edilir. Akım ve gerilim dalga formlarının örtüşme alanının, yüksek verimli harmonik ayarlı güç amplifikatörlerinin gereksinimlerini karşılayan J-tipi güç amplifikatörünün dalga formlarına benzer şekilde çok küçük olduğu görülebilir. Şu anda, güç amplifikatörünün ek verimliliği ve çıkış gücü sırasıyla% 76,81 ve 39,10 dBm'dir. Çıkış spektrumu Şekil 8'de gösterilmektedir. İkinci ve üçüncü harmonik bileşenler sırasıyla -48.06 dBc ve -37.66 dBc'dir ve bu da daha iyi bastırma sağlar.
4 Fiziksel işleme ve test sonuçları
Yukarıdaki tasarım yöntemini doğrulamak için, Şekil 9'da gösterildiği gibi harmonik ayarlı bir güç amplifikatörü yapmak için 3.48 dielektrik sabiti ve 30 mil kalınlığında bir Rogers 4350 tabakası kullanıldı ve bunu bir bakır soğutucuya monte etti. Ve güç amplifikatörünün performansını test etmek için bir test platformu oluşturmak için Agilent vektör ağ analizörü 8719ES, sinyal oluşturucu E8257C ve spektrum analizörü E4440A ve diğer ekipmanları kullanın.
4.1 Küçük sinyal testi
Güç amplifikatörünün küçük sinyal frekans yanıtının simülasyonu ve ölçülen sonuçları Şekil 10'da gösterilmektedir. Test sonuçlarının temelde simülasyon sonuçları ile tutarlı olduğu görülebilir 2 GHz'de güç amplifikatörü giriş geri dönüş kaybının simüle edilmiş ve ölçülen değerlerinin her ikisi de 20 dB'den daha iyidir. Güç amplifikatörünün küçük sinyal kazancının hem simüle edilen hem de ölçülen değerleri 17 dB'den daha iyidir.
Çalışma frekansı 2 GHz olduğunda, giriş gücü ile güç amplifikatörü çıkış gücü, kazancı, ilave güç verimliliği ve boşaltma verimliliğinin simülasyonu ve ölçülen sonuçları Şekil 11 ve Şekil 12'de gösterilmiştir. Giriş gücü 27 dBm olduğunda, güç amplifikatörü tarafından ölçülen çıkış gücü ve kazanç sırasıyla 38,69 dBm ve 11,69 dB'dir ve güç katma verimliliği ve boşaltma verimliliği sırasıyla% 76 ve% 81,53'tür. Simülasyon sonucuyla karşılaştırıldığında, test sonucunun, temel olarak transistör cihaz modeli ile gerçek transistör cihazı arasındaki farktan ve test platformunun getirdiği zayıflamadan kaynaklanan hafif bir sapması vardır.
Giriş gücü 27 dBm olduğunda, güç amplifikatörünün çıkış gücü, kazancı, drenaj verimliliği ve frekansla birlikte eklenen güç verimliliğinin simülasyonu ve ölçülen sonuçları Şekil 13 ve Şekil 14'te gösterilmiştir. 1.7 ila 2.3 GHz frekans aralığında, test sonuçları temelde simülasyon sonuçlarıyla tutarlıdır. 2 GHz civarında, güç amplifikatörünün yaklaşık 39 dBm'lik bir çıkış gücüne ve tasarım gereksinimlerini karşılayan% 70'in üzerinde bir güç katma verimliliğine ulaştığı görülebilir.
5. Sonuç
Bilinmeyen transistör parazit parametreleri ve paketleme parametreleri söz konusu olduğunda, bu makale dinamik yük hattı GaN HEMT modeline ve yük çekme teknolojisine dayanan yüksek verimli harmonik ayarlı bir güç amplifikatörü tasarlar ve üretir. Teorik analiz temelinde, tüm devre simüle edilir, işlenir ve test edilir.Test sonuçları temelde simülasyon sonuçlarıyla tutarlıdır, bu da bu yöntemi yüksek verimli güç amplifikatörleri tasarlamak için kullanmanın uygulanabilirliğini kanıtlar. Bu yönteme göre tasarlanan güç amplifikatörü, daha yüksek performansı tatmin ederken, aynı zamanda basit yapı ve uygun ayarlama avantajlarına da sahiptir.
Referanslar
CRIPPS S C.RF kablosuz iletişim için güç amplifikatörleri Norwood, MA: Artech House, 2006.
Chen Sidi, Zheng Yaohua, Zhang Guohao. Yüksek verimli ve yüksek harmonik bastırma güç amplifikatörünün tasarımı. Elektronik teknoloji uygulaması, 2015 (4): 76-78, 84.
GIANNINI F, SCUCCHIA L. Eksiksiz harmonik eşleştirme ağları sınıfı: sentez ve uygulama IEEE İşlemleri Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri, 2009, 57 (3): 612-619.
Wang Zhenyang. Yeni bir geniş bant yüksek verimli Sınıf J güç amplifikatörü üzerine araştırma Hefei: Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2014.
Huang Liang, Li Jiajin, Zhang Guohao. LTE-A için çift güç modlu geniş bant güç amplifikatörü tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017 (9): 30-33.
Zhu Shoukui.Yüksek verimli GaN HEMT sınıfı F / ters sınıf F güç amplifikatörünün araştırılması ve tasarımı Tianjin: Tianjin Üniversitesi, 2017.
SOKAL N O, SOKAL A D. Sınıf E-Yüksek verimli ayarlanmış tek uçlu anahtarlama güç amplifikatörlerinin yeni bir sınıfı.IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1975, 10 (3): 168-176.
Zhang Shuyuan, Zhong Shichang.GaN HEMT'e dayalı S-bant güç amplifikatörünün tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2019, 45 (1): 45-47, 56.
Xie Shuyi. Yüksek verimli ve geniş bant güç amplifikatörünün geliştirilmesi. Chengdu: Çin Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2013.
LEE Y S, LEE M W, JEONG Y H. Basit parazitik kompanzasyon devresine sahip yüksek verimli sınıf-F GaN HEMT amplifikatörü IEEE Mikrodalga ve Kablosuz Bileşenler Mektupları, 2008, 18 (1): 55-57.
SAYED AS, AHMED H N.A 10-W, yüksek verimli, geniş bantlı harmonik ayarlı GaN-HEMT güç amplifikatörü.2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Florence, 2018: 1-4.
PENGELLY R S, PRIBBLE W, SMITH T. Tasarımcıların PA verimliliğini optimize etmelerine yardımcı olmak için dinamik yük hattı GaN HEMT modellerini kullanan ters sınıf-F tasarımı IEEE Mikrodalga Dergisi, 2014, 15 (6): 134-147.
yazar bilgileri:
Huang Faliang, Sen Bin
(Elektronik Bilgi Okulu, Hangzhou Dianzi Üniversitesi, Hangzhou 310018, Zhejiang)
