PCB-Neuigkeiten - Entwurf eines Breitband-Leistungsverstärkers mit erweiterter Widerstandsreaktion Continuous Class F Mode

Dieser Artikel stellt ein Verfahren zur Erhöhung der Bandbreite eines Leistungsverstärkers (PA) vor, das in Form einer Widerstands-Reaktanz-Dauerklasse F Mode Serie (SCFM) konzipiert ist. Durch Einführen der dritten Oberschwingungslast in den Widerstand-Reaktanz SCFM PA wird die Überlappung zwischen der Grundwelle und der Oberschwingungsimedanz gelöst und die Bandbreite verbessert. Mit dieser Methode entwarf der Autor eine hocheffiziente PA mit einer Betriebsfrequenz von 0,5 bis 2,3GHz. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die PA eine Ausgangsleistung von 10W erreicht und die Drain-Effizienz von 0,5 bis 2,3GHz 59% bis 79% erreichen kann.

Mit der schnellen Entwicklung der drahtlosen Kommunikationstechnologie, weiter-Generation drahtloser Systeme größere Bandbreiten erfordern, um höhere Datenübertragungsraten zu erreichen. Als Schlüsselübertragungseinrichtung, PA muss eine höhere Effizienz in einer größeren Bandbreite haben und in der Lage sein, eine Vielzahl von Standards zu erfüllen.

In den letzten Jahren, Viele Studien haben Möglichkeiten zur Verbesserung der PA-Bandbreite und Effizienz untersucht. In 2009, S. C. Cripps1 vorgeschlagener kontinuierlicher Modus PA, Diese Lösung löste die Bandbreitenbegrenzung traditioneller Schaltmodus PA durch entsprechende Einführung reaktanzähnlicher zweiter und dritter Oberschwingungen. Anschließend, kontinuierlich B/Typ J, Der kontinuierliche F-Typ und der inverse F-Typ PA wurden sukzessive vorgeschlagen 2-6. Theoretisch, Aufgrund der harmonischen Impedanz am Rand des Smith Charts, die maximale Bandbreite von kontinuierlichem B/J, kontinuierlich F, Der inverse F PA Modus ist auf eine Oktave beschränkt. Daher, Diese strenge Begrenzung der harmonischen Belastung erschwert es PAs, Mehroktaven zu erreichen. In 2013, Lu und Chen7 schlugen eine Widerstands-Reaktanz-kontinuierliche Mode-Reihenmethode vor, Einführung einer widerstandsähnlichen harmonischen Impedanz in den kontinuierlichen Modus, um die strengen Beschränkungen der harmonischen Belastungen8-9. Mit dieser Methode, Die Bandbreite kann mehr als eine Oktave sein, indem Widerstand eingeführt wird, und die zweite Oberschwingungslast hat auch einen größeren Grundimpedanzraum, die Bandbreite der Breitband PA. Die inverse kontinuierliche Mode Widerstand-Reaktanz Serie PA wurde von Li et al vorgeschlagen. 9 und enthüllte eine ähnliche Methode zum Entwerfen einer Breitband PA.

In diesem Artikel wird die erweiterte madiematische Formel für die Widerstands-Reaktanz-SCFM-Analyse verwendet. Die Einführung der dritten harmonischen Impedanz erweitert den Designraum weiter und bietet mehr Freiheit bei der Gestaltung hocheffizienter, mehroktaviger PAs.

Extended resistance-reactance SCFM
The traditional resistance-reactance SCFM has a half-wave rectified sinusoidal current waveform in the inherent current generator plane of the device, das ist, ids(θ) in the following form:

The voltage waveform vds(θ) is no longer strictly limited to a square wave, and includes a set of variables that depend on the parameters α and γ:
By multiplying the current waveform of the resistance-reactance SCFM by the parameter (1+βcosθ), Die dritte harmonische Impedanz des Widerstands wird eingeführt, während die Spannungswellenform unverändert bleibt. New current wave
In this way, Eine alternative Impedanzlösung mit resistiver zweiter und dritter harmonischer Impedanz kann erhalten werden. Durch Division der Spannung durch den Strom, die an jeder Oberschwingung vorhandene Lastimpedanz berechnet werden kann. Hier, Zn wird als x-te harmonische Impedanz bezeichnet.
Die Werte von Z1, Z2, und Z3 hängen davon ab, ob die Bedingungen/3π. Abbildung 1 zeigt die grundlegenden und harmonischen Impedanzänderungen relativ zu α und β. Der zweite harmonische Bereich bewegt sich mit den Veränderungen von α und β in Richtung des fundamentalen Wellenbereichs, und die dritte harmonische Region neigt zur fundamentalen Wellenregion, wenn β abnimmt. Diese Eigenschaft ermöglicht es uns, die Überlappung zwischen fundamentalen und harmonischen Impedanzen in einem mehroktavigen Design aufzulösen.
Die Entwässerungseffizienz ist eine Funktion von α und β. Die Veränderungen des Abflusseffizienzs und der Ausgangsleistung im Verhältnis zu α und β sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Veränderungen von α und β sollten auf die effektive Fläche beschränkt werden, damit auch bei geringem Leistungsabfall eine akzeptable Ablaufeffizienz erreicht werden kann. In der Gestaltung dieses Papiers, die Zustandsbereiche von 0⭤έâ­0.4 und -0.4♤β♤0 werden ausgewählt, um eine Abflusseffizienz über 65%zu erreichen.
Simulation and measurement
In order to verify the effectiveness of this method, Der Autor verwendet Wolfspeed CGH40010F GaN Transistoren, um eine Widerstandsreaktanz SCFM PA mit einer Betriebsfrequenz von 0 zu konstruieren.5 bis 2.3 GHz. Es funktioniert bei 28V und 68mA statischer Drain Bias. Das Substratmedium ist Rogers. 4350B (εr=3.66), Dicke 30mil, Metallschichtdicke 35μm.

Durch den iterativen Prozess von Hochfrequenz bis Niederfrequenz, Simulation des harmonischen Lastzugs kann realisiert werden, und dann kann die beste Lastimpedanz erhalten werden. Unter ihnen, die erhaltene Impedanz bei Hochfrequenz wird verwendet, um Niederfrequenzschwingungen zu beenden. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis die beste Lastimpedanz erreicht ist. Das Output Matching Netzwerk ist mit Echtzeit-Direktberechnungstechnologie10 ausgelegt. Abbildung 3 zeigt das Breitbandausgangsnetz dieses Designs. Da die Eingangsimpedanz einen sehr geringen Einfluss auf die PA-Performance hat,11, bei der Gestaltung des Input Matching Netzwerks, Dem Fundamental Wave Matching sollte mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Das genaue Modell des parasitären Netzwerks des weit verbreiteten CGH40010F Transistors wurde von Tasker und Benedikt12 abgeleitet. Basierend auf diesem parasitären Netzwerkmodell wird auf der Packaging-Ebene des I-Gen- und Ausgangs-Matching-Netzwerks die Impedanzbahn im Smith Chart in Abbildung 4 dargestellt. Im Arbeitsfrequenzband von 0.5 bis 2.3 GHz Die berechnete Grundwellenimpedanz der Stromebene bleibt innerhalb oder in der Nähe des theoretischen Bereichs.

Die endgültige Auslegung des Widerstands-Reaktanz-SCFM PA ist in Abbildung 5 dargestellt. Im Falle einer kontinuierlichen Eingangsleistung von 29dBm sind die Simulations- und Versuchsergebnisse in Abbildung 6 dargestellt. Im Frequenzbereich von 0,5 bis 2,3GHz beträgt der Drain-Wirkungsgrad 59% bis 79%, und die gesättigte Ausgangsleistung liegt bei 39,4 bis 41,6 dBm. Die experimentellen Ergebnisse stimmen mit den Simulationsergebnissen überein.

Zur Charakterisierung der Linearität der PA, Wir verwenden ein 20MHz LTE Signal mit einem Spitzen-zu-Durchschnitt Leistungsverhältnis von ca. 7.5dB, um die PA bei 0 zu fahren.8, 1, 1.6, und 2 GHz. Wie in Abbildung 7 gezeigt, the Breitband PA zeigt gute Linearität bei ca. 5dB Sättigungsmargenleistung, where the adjacent channel leakage power ratio (ACLR) is lower than -30dBc, und der durchschnittliche Wirkungsgrad ist 34.1 bis 49.1%. Tabelle 1 vergleicht die Leistung dieser PA mit anderen ähnlichen fortgeschrittenen Breitband PAs.
in conclusion
The PCB-Design SCFM wird durch die Einführung der dritten harmonischen Impedanz erweitert. Mit dieser Methode, die Überschneidung zwischen fundamentaler und harmonischer Impedanz effektiv gelöst wird. Dieser Artikel verwendet diese Methode, um, Aufbau und Test einer breitbandigen hocheffizienten PA. Die Übereinstimmung zwischen den experimentellen und Simulationsergebnissen bestätigt die Wirksamkeit dieser Methode für die Auslegung von Multioktaven, hocheffiziente PA. Angetrieben durch ein 20MHz LTE Signal, Der ACLR der vorgeschlagenen PA ist niedriger als 30dBc, wenn die Ausgangsleistung ca. 35dBm ist, und die durchschnittliche Abflusseffizienz ist höher als 34%.