"Seçilmiş Kağıtlar" 2 6 GHz Geniş Bant Güç Amplifikatörü Modülü Tasarımı
Wang Haoquan 1, 2, 3, Guo Hao 1, 2, 3, Hao Mingli 1, 2
(1. Yeni Nesil İletişim RF Çip Teknolojisi Pekin Anahtar Laboratuvarı, Mikroelektronik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Pekin 100029;
2. Sağlık Elektroniği Araştırma ve Geliştirme Merkezi, Mikroelektronik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Pekin 100029; 3. Elektrik, Elektrik ve İletişim Mühendisliği Okulu, Çin Bilimler Akademisi Üniversitesi, Pekin 101400)
Özet: Bir GaN süper frekanslı güç amplifikatörü gerçekleştirilir. CREE'nin CGHV60040D model çıplak çipine dayanarak, çip çevresel bağlama tellerinin ve mikroşerit hatlarının modellenmesi ve elektromanyetik alan simülasyonu yoluyla, optimum yük empedans eşleştirme prensibini kullanarak ve geniş bant eşleştirme ağını tasarlamak ve optimize etmek için simülasyon yazılımını kullanarak, son tamamlama 2 ila 6 GHz'de çalışan tek tüplü geniş bant güç amplifikatörü. Tasarlanan geniş bant güç amplifikatör modülü darbe testine tabi tutulmuştur 1.8-5.5 GHz geniş frekans aralığında kazanç 10-13 dB, çıkış gücü 43 dBm ve güç katma verimliliği (PAE)% 40'ın üzerine çıkar.
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN722.75
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.07.002
Çince alıntı biçimi: Wang Haoquan, Guo Hao, Hao Mingli.2 6 GHz Geniş Bant Güç Amplifikatörü Modül Tasarımı Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (7): 8-10, 15.
İngilizce alıntı biçimi: Wang Haoquan, Guo Hao, Hao Mingli. 2 6 GHz geniş bant güç amplifikatörü modülünün tasarımı.Elektronik Tekniği Uygulaması, 2017, 43 (7): 8-10, 15.
0 Önsöz
Kablosuz iletişim teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte, modern iletişim sistemleri, çoklu frekans bantlarının ve çoklu modların çalışma gereksinimlerini karşılayacaktır. Radyo frekansı sisteminde çok önemli bir modül olan güç amplifikatörünün bant genişliği, çıkış gücü ve verimi, vericinin performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, geniş bantlı güç amplifikatörlerinin tasarımını incelemek anlamlıdır.
Birçok tipte geniş bantlı güç amplifikatörü vardır.Geniş bant sistemlerinde hem dağıtılmış güç amplifikatörleri hem de hareketli dalga tüplü güç amplifikatörleri kullanılmıştır. Dağıtılmış güç amplifikatörü iyi geniş bant performansına ve düşük devre hassasiyetine sahiptir ve iyi bir kazanç düzlüğü ve geri dönüş kaybı sağlayabilir. Ancak karmaşık bir yapıya ve büyük bir boyuta sahiptir. Gezici dalga tüpü amplifikatörünün güvenilirliği ve kararlılığı zayıftır ve maliyet performansı yüksek değildir. Üçüncü nesil yarı iletken GaN'den yapılan güç cihazları, yüksek dayanma gerilimi, yüksek çıkış gücü ve iyi kararlılık özelliklerine sahiptir. Bu temelde tasarlanan tek cihazlı geniş bant güç amplifikatörü basit bir yapıya ve iyi bir kararlılığa sahiptir.
Bu makale, bir süper frekanslı geniş bant güç amplifikatörü tasarlamak için CREE'nin CGHV60040D GaN modelini kullanır. Yük çekme ve kaynak çekme teknolojisine dayalı olarak, 1,8 5,5 GHz içinde yüksek çıkış gücü ve verimlilik elde edilir.
1 Geniş bant güç amplifikatörünün tasarımı ve simülasyonu
1.1 Statik çalışma noktası seçimi
İlk olarak, transistörün statik çalışma noktasını seçin, çünkü statik önyargı noktası güç amplifikatörünün verimliliğini, doğrusallığını ve çıkış gücünü etkiler. Bu metnin seçtiği şey CREE Company'nin CGH60040D GaN HEMT transistörüdür, bu transistörün çalışma voltajı 50 V, yani VDS = 50 V, doğrusallık ve verimlilik arasındaki takas ilişkisini göz önünde bulundurun, AB'de çalışan güç amplifikatörünü tasarlayın. Transistörün DC eğrisini simüle etmek için ADS'de (Advanced Design System), cihazın statik çalışma noktası olarak boşaltma akımı IDS = 200 mA, VGS = -2.45 V seçin Bu sırada AB sınıfında çalışırken daha yüksek çıkış gücü ve verimi vardır. Doğrusallık.
1.2 En iyi empedans noktasının seçimi
Çıkış empedans noktasının seçimi, güç amplifikatörünün hedef bant genişliği içinde daha yüksek güç üretmesi için önemli bir faktördür ve tüm amplifikatörün bant genişliği performansını doğrudan etkileyecektir. Yük çekme teknolojisi, en iyi empedans noktasını etkili bir şekilde bulabilir. Her 1 GHz için yükü 2'den 6 GHz'e çekmek için ADS yazılımındaki Yük-çekme şablonunu kullanın ve her frekans noktasına karşılık gelen eşit güç çemberini bulun. Şekil 1, 43 dBm çıkış gücüne sahip eşit bir güç çemberidir. Şekildeki üst üste binen alan, hedef empedans aralığıdır ve üst üste binen alanın merkez noktası, hem düşük frekanslı hem de yüksek frekanslı çıkış gücünü hesaba katan optimum değer olarak seçilir. En iyi yük empedansı 2 6 GHz'de 10 + j12 'dur.
Güç amplifikatörünün giriş empedansının çıkış gücü üzerinde çok az etkisi vardır, bu nedenle giriş empedansının seçiminin çok katı olması gerekmez.Giriş empedansının eşleştirilmesi esas olarak tüm bant genişliği içinde daha yüksek bir kazanç ve düzlük elde etmek içindir. Hedef tasarım bant genişliği: Kazancın frekansın her 10 katında bir 20 dB azalması kuralına göre 2 ila 6 GHz arasında, bu hedef bant genişliğindeki maksimum mevcut kazanç 9,5 dB farklılık gösterir. Düz bir kazanç elde etmek için, seçilen topolojiyi kullanarak aynı zamanda ADS ile kazanç düzlüğünü optimize etme yöntemi.
1.3 Bir elektromanyetik alan modeli oluşturmak
Genel olarak, paketlenmiş çipler daha çok geniş bant güç amplifikatörlerinin tasarımında kullanılır. Paketin getirdiği parazitik parametreler, çipin bant genişliği performansını ciddi şekilde etkileyen güç amplifikatörü üzerinde büyük bir etkiye sahiptir ve çıplak bir çipin kullanılması, çipin çıkış gücü kapasitesini ve bant genişliği performansını en üst düzeye çıkarabilir. Devre eşleşmesinde kuşaklama telinin parazitik parametreleri göz ardı edilemeyeceğinden, kuşaklama teli ve kuşaklama teline bağlanan mikroşerit hattı HFSS'de (High Frequency Structure Simulator) modellenmiştir. Mikrodalga iletimi, bağlama teli ile temas halindeki mikroşerit hattında sürekli olmadığından, yalnızca bağlama telini değil, aynı zamanda bağlama teline bağlanan mikro şerit hattını da simüle etmek gerekir. Simüle edilmiş S parametrelerini ortak simülasyon için ADS'ye getirin.
Şekil 2'de gösterildiği gibi, Rogers'ın RO4350B PCB kartı kullanılarak, kalıp üzerinde her biri PAD'ye bağlı ve 6 altın telle bağlanmış toplam 4 basınç kaynaklı PAD vardır. Model gerçek olası duruma göre modellenmiştir ve simülasyon mümkün olduğunca doğrudur. S parametreleri.
1.4 Güç amplifikatörü devre topolojisi
Geniş bant devresinin topoloji tasarımının kilit noktası, süper frekansın empedans dönüşümünü gerçekleştirmektir. Empedans dönüşümü, 50 port empedansını seçilen hedef empedansla eşleştirmektir.
En iyi çıkış empedansı R + jX biçimindedir ve bir direnç ve paralel bir kapasitör içeren bir kaynak empedans formu, eşleşen bir devre tasarlamak için takılabilir. Süper çift frekansın bant genişliğini hesaba katarak, optimum eşleşen ağa dayalı geniş bant yöntemi benimsenir ve ayrık bileşenler dağıtılmış bir mikro şerit hattına dönüştürülür ve ADS, optimize etmek için kullanılır. 50 yük empedansı, 2 ila 6 GHz'deki hedef empedans değeriyle doğrudan eşleşir. En iyi yük empedansının eşleniğini kaynak empedans olarak alarak, ADS'deki S parametresi simülasyonunun sonuçları Şekil 3'te gösterilmektedir. Apsis, frekans (f) ve ordinat, giriş yansıma katsayısıdır (S11). S11'in 2 ila 6 GHz aralığında -15 dB civarında olduğu ve daha iyi bir empedans dönüşümü sağladığı görülebilir.
Girdi eşleştirme işi, esas olarak kazanç düzlüğünün optimizasyonuna odaklanır. Çok segmentli mikroşerit hattı eşleştirme kullanılır ve devrenin kararlılığını artırmak için bir RC paralel ağı eklenir ve ardından eşleşen ağ, hedef olarak S21 ile ADS'de optimize edilir. Genel devre topolojisi Şekil 4'te gösterilmektedir ve şekildeki kutu HFSS'de simüle edilen S parametre dosyasıdır. Eşleştirme devresinin son değeri, ADS optimizasyon simülasyonu ile elde edilen nihai değerdir.
Önyargı ağının tasarımında en önemli şey ideal yapıdır. Bu metin, 2-6 GHz'de ideal bir kısa devre topraklaması oluşturmak için çoklu kapasitör paralel bağlantı biçimini kullanır. Spesifik uygulama, 4 GHz'de rezonanslı iki kapasitör ve 6 GHz'de rezonanslı iki kapasitörden oluşur. Şekil 5, kapasitörün empedans eğrisi simülasyonunun sonucudur, apsis, frekanstır (f) ve ordinat, paralel kapasitörün (imge (z)) empedansının hayali parçasıdır. 2-6 GHz'de daha ideal bir yoldan-yere gerçekleştirildiği görülmektedir.
1.5 Devre simülasyon sonuçları
Mikroşerit hattının düzenini oluşturun ve ardından elektromanyetik simülasyon için ADS'nin elektromanyetik simülasyon aracı Momentum'u kullanın.Sonuç ADS'de devrenin karışık simülasyonu olur ve harmonik denge simülasyonu ve S parametresi simülasyon sonuçları görüntülenir. Sonuç Şekil 6'da gösterilmektedir, apsis frekans (f), sol koordinat çıkış gücü (Pout) ve sağ koordinat küçük sinyal kazancıdır (S21). Devrenin 2 6 GHz'deki doymuş çıkış gücü 42.85 dBm'nin üzerindedir, küçük sinyal kazancı 13.8 dB'nin üzerindedir ve kazanç düzlüğü 1.3 dB'dir.
2 Test sonuçları
Simüle edilmiş devre fiziksel bir PCB'ye dönüştürülür.Çipin pirinç soğutucuya montajını basitleştirmek için co-gold yöntemi kullanılmaz, çip, soğutucuya gümüş macun ile yapıştırılır.Pirinç soğutucu kullanmanın amacı, Daha iyi ısı dağılımı için, genel kaynaklı güç amplifikatörü modülü Şekil 7'de gösterilmektedir. Üretilen güç amplifikatör modülü için bir darbe sinyal testi kullanılır, sinyal süresi 1 ms ve darbe genişliği 100 s'dir. Sonuç Şekil 8'de gösterilmektedir. Apsis, frekans (f), sol koordinat çıkış gücü (Pout) ve sağ koordinat verimliliktir (PAE).
Test sonucunun simülasyon sonucuna göre belirli bir sapmaya sahip olduğu ve toplam ofsetin meydana geldiği görülebilir. 1,8 GHz 5,5 GHz aralığında çıkış gücü 43,3 45,8 dBm, ek güç verimliliği% 40 % 60 ve kazanç 10 13'tür. dB. Hatanın nedenleri analiz edildiğinde, aşağıdaki noktalar vardır: (1) Gerçek bağlama telinin yüksekliği ve uzunluğu modelleme simülasyonundan farklıdır ve manüel çalıştırma koşullarında bağlama telinin tutarlılığını garanti etmek zordur; (2) Kullanılan Yüksek frekanslardaki pasif cihazların modelleri (dirençler, kapasitörler ve mikroşerit hatları gibi) yeterince doğru değildir; (3) Yapay kaynakla getirilen parazitik bileşenler, pasif cihazların empedans değerini artırarak genel frekans bandının düşük frekansa kaymasına neden olur.
Uygulanacak iyileştirme önlemleri aşağıdaki gibidir: (1) Simülasyon aşamasında, belirli bir tasarım alanı bırakarak çalışma frekansı bandını yüksek frekans bandına daha da genişletin; (2) Kaynaklı SMA, dirençler ve kapasitörler için TRL ayrıştırma yöntemini tasarlayın ve kullanın S parametresinin çıkarılmasına devam edin, SMA'nın getirdiği paraziti ve hatalı direnç ve kapasitans modelinin devre performansı üzerindeki etkisini ortadan kaldırmaya çalışın.
3 özet
Bu metin, 2 ila 6 GHz çalışma frekansına sahip geniş bantlı bir güç amplifikatörü tasarlamıştır. Nihai simülasyon sonucu, 2 ila 6 GHz bant genişliği içinde 42,85 dBm veya daha fazla çıkış gücüne ulaşır. 1 ms periyotlu ve% 10 görev döngüsüne sahip bir darbe sinyalinin ölçülen sonuçları şunlardır: 1,8-5,5 GHz bant genişliğinde çıkış gücü 43,3-45,8 dBm ve ek güç verimliliği% 40 -% 65'tir. Tablo 1, bu makale ile son yıllarda diğer birkaç geniş bant güç amplifikatörü arasında bir karşılaştırmadır. Bu yazıda tasarlanan güç amplifikatörünün bant genişliği açısından belirli avantajlara sahip olduğu görülebilir.
Referanslar
Chi Baoyong, Yu Zhiping, Shi Bingxue CMOS radyo frekansı entegre devre analizi ve tasarımı Pekin: Tsinghua University Press, 2006: 299-304.
DAWSON D. Optimum uyumlu ağların tasarımı için kapalı form çözümleri Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri üzerine IEEE İşlemleri, 2009, 57 (1): 121-129.
RHEA R W.HF filtre tasarımı ve bilgisayar simülasyonu New York: Noble, 1994: 145-191.
SAAD P, FAGER C, CAO H, ve diğerleri. Yüksek verimli bir 2-4-GHz oktav bant genişliği GaN-HEMT güç amplifikatörünün tasarımı. IEEE İşlemleri Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri, 2010, 58 (7): 1677-1685.
DING X, HE S, YOU F, ve diğerleri, ultra düz kazanç ve yüksek PAE'ye sahip 2-4 GHz geniş bant güç amplifikatörü. Elektronik Mektupları, 2013, 49 (5): 326-327.
WU D, MKADEM F, BOUMAIZA S. Basitleştirilmiş gerçek frekans tekniği ile geniş bant ve yüksek verimli 45 W GaN güç amplifikatörünün tasarımı 2010 IEEE MTT-S Uluslararası Mikrodalga Sempozyumu, 2010: 1-1
WRIGHT P, LEES J, BENEDIKT J, vd.
