Notizie PCB - Progettazione dell'amplificatore di potenza a banda larga con modalità continua di resistenza-reazione estesa Classe F

Questo articolo introduce un metodo per aumentare la larghezza di banda di un amplificatore di potenza (PA), che è progettato sotto forma di resistenza-reazione continua classe F mode series (SCFM). Introducendo il terzo carico armonico nella resistenza-reattività SCFM PA, la sovrapposizione tra l'onda fondamentale e l'impedenza armonica è risolta e la larghezza di banda è migliorata. Utilizzando questo metodo, l'autore ha progettato un PA ad alta efficienza con una frequenza operativa da 0,5 a 2,3 GHz. I risultati sperimentali mostrano che la PA raggiunge una potenza di uscita di 10W, e l'efficienza di scarico da 0,5 a 2,3 GHz può raggiungere il 59% a 79%.

Con il rapido sviluppo della tecnologia di comunicazione wireless, i sistemi wireless di prossima generazione richiedono larghezze di banda più ampie per raggiungere velocità di trasmissione dati più elevate. Come dispositivo di trasmissione chiave, la PA deve avere una maggiore efficienza in una larghezza di banda più ampia e essere in grado di soddisfare una varietà di standard.

Negli ultimi anni, molti studi hanno esplorato modi per migliorare la larghezza di banda e l'efficienza PA. Nel 2009, S. C. Cripps1 propose la PA in modalità continua, che risolveva la limitazione della larghezza di banda della PA in modalità switch tradizionale introducendo opportunamente armoniche di seconda e terza reattanza. Successivamente, il tipo B/J continuo, il tipo F continuo e il tipo F inverso PA sono stati successivamente proposti 2-6. Teoricamente, a causa dell'impedenza armonica al bordo del grafico Smith, la larghezza di banda massima delle modalità PA B/J continue, F continua e F inversa è limitata a un'ottava. Pertanto, questa rigorosa limitazione del carico armonico rende difficile per le PA raggiungere prestazioni multi-ottava. Nel 2013, Lu e Chen7 hanno proposto un metodo di serie di modalità continua resistenza-reattività, introducendo l'impedenza armonica simile a resistenza nella modalità continua per facilitare le rigide restrizioni sui carichi armonici8-9. Utilizzando questo metodo, la larghezza di banda può essere più di un'ottava introducendo resistenza, e il secondo carico armonico ha anche uno spazio di impedenza fondamentale più ampio, che migliora ulteriormente la larghezza di banda del PA a banda larga. La serie inversa di resistenza-reazione continua PA è stata proposta da Li et al. 9 e ha rivelato un metodo simile per progettare un PA a banda larga.

In questo articolo, la formula matematica estesa viene utilizzata per l'analisi SCFM resistenza-reazione. L'introduzione della terza impedenza armonica amplia ulteriormente lo spazio di progettazione e offre maggiore libertà nella progettazione di PA multi-ottava ad alta efficienza.

SCFMLa resistenza-reattività tradizionale SCFM ha una forma d'onda sinusoidale rettificata a mezza onda nel piano generatore di corrente inerente del dispositivo, cioè id(θ) nella seguente forma:

La forma d'onda di tensione vds(θ) non è più strettamente limitata ad un'onda quadrata, e include un insieme di variabili che dipendono dai parametri α e γ:Moltiplicando la forma d'onda corrente della resistenza-reattività SCFM per il parametro (1+βcosθ), viene introdotta la terza impedenza armonica della resistenza mantenendo inalterata la forma d'onda di tensione. Nuova onda di corrente In questo modo si può ottenere una soluzione alternativa di impedenza con impedenza armonica resistiva seconda e terza. Dividendo la tensione per la corrente, è possibile calcolare l'impedenza di carico presente ad ogni armonica. Qui, Zn è designato come l'ottava impedenza armonica. I valori di Z1, Z2 e Z3 dipendono dalla possibilità di realizzare le condizioni 0â¤Î±â¤1 e -8/3πâ¤Î²â¤0. La figura 1 mostra i cambiamenti fondamentali e armonici dell'impedenza rispetto a α e β. La seconda regione armonica si sposta verso la regione d'onda fondamentale con i cambiamenti di α e β, e la terza regione armonica tende alla regione d'onda fondamentale man mano che β diminuisce. Questa caratteristica ci permette di risolvere la sovrapposizione tra impedenze fondamentali e armoniche in un disegno multi-ottava. L'efficienza di drenaggio è una funzione di α e β. Le variazioni dell'efficienza di scarico e della potenza di uscita relative a α e β sono illustrate nella figura 2. Le variazioni di α e β dovrebbero essere limitate all'area effettiva, in modo da ottenere un'efficienza accettabile di scarico anche con una leggera diminuzione della potenza di uscita. Nella progettazione di questo articolo, gli intervalli di condizione di 0â¤Î±â¤0,4 e -0,4â¤Î²â¤0 sono selezionati per ottenere un'efficienza di drenaggio superiore al 65%.Simulazione e misuraPer verificare l'efficacia di questo metodo, l'autore utilizza transistor Wolfspeed CGH40010F GaN per progettare una resistenza-reazione SCFM PA con una frequenza operativa da 0,5 a 2,3 GHz. Funziona a bias statico di scarico 28V e 68mA. Il substrato è Rogers. 4350B (εr=3.66), spessore 30mil, spessore dello strato metallico 35μm.

Attraverso il processo iterativo da alta frequenza a bassa frequenza, la simulazione armonica di trazione del carico può essere realizzata e quindi la migliore impedenza di carico può essere ottenuta. Tra questi, l'impedenza ottenuta ad alta frequenza viene utilizzata per terminare armoniche a bassa frequenza. Ripetere questo processo fino a ottenere la migliore impedenza di carico. La rete di corrispondenza dell'uscita è progettata con una tecnologia di calcolo diretto in frequenza reale10. La figura 3 mostra la rete corrispondente all'uscita a banda larga di questo progetto. Poiché l'impedenza armonica dell'ingresso ha un impatto molto limitato sulle prestazioni PA

Il modello accurato della rete parassitaria del transistor CGH40010F ampiamente utilizzato è stato derivato da Tasker e Benedikt12. Sulla base di questo modello di rete parassitaria, sul piano di imballaggio della rete I-gen e di corrispondenza dell'uscita, la traiettoria dell'impedenza nel grafico Smith è mostrata nella Figura 4. Nella banda di frequenza di lavoro da 0,5 a 2,3 GHz, l'impedenza d'onda fondamentale calcolata del piano corrente rimane all'interno o vicino all'area teorica.

Il disegno finale della resistenza-reattività SCFM PA è mostrato nella Figura 5. Nel caso di una potenza in ingresso continua di 29dBm, la simulazione e i risultati sperimentali sono mostrati nella figura 6. Nella gamma di frequenze da 0,5 a 2,3 GHz, l'efficienza di scarico è 59% a 79%, e la potenza di uscita satura è 39,4 a 41,6 dBm. I risultati sperimentali sono coerenti con i risultati della simulazione.

Per caratterizzare la linearità della PA, utilizziamo un segnale LTE 20MHz con un rapporto di potenza picco-media di circa 7,5dB per guidare la PA a 0,8, 1,6 e 2 GHz. Come mostrato nella figura 7, l'PA a banda larga mostra una buona linearità a circa 5dB di potenza del margine di saturazione, dove il rapporto di potenza di dispersione del canale adiacente (ACLR) è inferiore a -30dBc, La tabella 1 confronta le prestazioni di questa PA con altre PA avanzate a banda larga simili.In conclusione lo spazio di progettazione PCB di resistenza-reazione SCFM è ampliato introducendo la terza impedenza armonica. Utilizzando questo metodo, la sovrapposizione tra l'impedenza fondamentale e armonica viene efficacemente risolta. Questo articolo utilizza questo metodo per progettare, costruire e testare una PA ad alta efficienza a banda larga. L'accordo tra i risultati sperimentali e di simulazione verifica l'efficacia di questo metodo per la progettazione di PA ad alta efficienza multi-ottava. Guidata da un segnale LTE 20MHz, l'ACLR della PA proposta è inferiore a 30dBc quando la potenza in uscita è di circa 35dBm, e l'efficienza media di scarico è superiore al 34%.