PCB 뉴스 - 확장 저항 연속 F 클래스 모드의 광대역 전력 증폭기 설계

본고는 저항저항연속F클래스모드직렬(SCFM) 형태로 설계된 전력증폭기(PA) 대역폭을 높이는 방법을 소개한다.저항 SCFM PA에 3차 고조파 부하를 도입함으로써 기파와 고조파 임피던스 간 중첩을 해결하고 대역폭을 높였다.이 방법을 이용해 저자는 0.5∼2.3GHz의 작동 주파수를 가진 고효율 출력 증폭기를 설계했다. 실험 결과 이 증폭기는 10W, 0.5∼2.3GHz는 59∼79%의 누극 효율을 보였다.

무선 통신 기술이 빠르게 발전함에 따라 차세대 무선 시스템은 더욱 넓은 대역폭을 필요로 하여 더욱 높은 데이터 전송 속도를 실현해야 한다.PA는 중요한 전송 장치로서 넓은 대역폭에서 효율성을 높이고 다양한 표준을 충족해야 합니다.

최근 몇 년 동안 많은 연구가 PA 대역폭과 효율성을 향상시키는 방법을 모색했습니다.2009년에 S.C.Cripps1은 연속 모드 PA를 제시했는데 저항류 2차 고조파와 3차 고조파를 적당히 도입함으로써 전통적인 스위치 모드인 PA의 대역폭 제한을 해결했다.이어 연속 B/J형, 연속 F형, 역 F형 PA가 잇따라 2-6으로 제시됐다.이론적으로, 스미스 원도 가장자리의 고조파 임피던스로 인해 연속 B/J, 연속 F 및 역 F PA 모드의 최대 대역폭은 1배 주파수로 제한됩니다.따라서 이러한 고조파 부하에 대한 엄격한 제한으로 인해 PA는 여러 배의 주파수 성능을 구현하기 어렵습니다.2013 년 Lu와 Chen7은 연속 모드에 저항과 유사한 고조파 임피던스를 도입하여 고조파 부하에 대한 엄격한 제한인 8-9를 완화하는 저항-임피던스 연속 모드 직렬 방법을 제안했습니다.이 방법을 사용하면 저항을 도입함으로써 대역폭이 1배 주파수를 초과할 수 있고 2차 고조파 부하도 더 넓은 기파 저항 공간을 갖게 되어 광대역 PA의 대역폭을 더욱 높일 수 있다. 이등9는 역연속 모드 저항 저항 직렬 PA를 제시하고 광대역 PA를 설계하는 유사한 방법을 제시했다.

이 문서에서는 보급된 수학 공식을 저항 SCFM 분석에 사용합니다.3차 고조파 임피던스 도입으로 설계 공간이 더욱 확장되고 고효율, 다배율 주파수 PA 설계 시 더욱 자유로워진다.

확장 저항 SCFM 기존 저항 저항 SCFM은 부품의 고유 전류 발생기 평면에 반파 정류 정현 전류 파형, 즉 다음과 같은 형태의 ids(?)를 가지고 있다.

전압파형 vds (오메가) 는 더 이상 방파로 엄격히 제한하지 않고, 매개변수 오메가와 오메가에 의해 결정되는 변수 세트를 포함한다: 저항저항 SCFM의 전류파형에 매개변수 (1 + 오메가) 를 곱하여 전압파형을 그대로 유지한 상태에서 저항을 도입하는 3차 고조파 저항.이를 통해 저항 2차 및 3차 고조파 임피던스를 갖춘 대체 임피던스 솔루션을 얻을 수 있다.전압을 전류로 나누어 각 고조파의 부하 저항을 계산할 수 있다.여기서 Zn은 n차 고조파 임피던스로 지정됩니다. Z1, Z2 및 Z3의 값은 0–1과 -8/3Ë–²0의 조건을 달성할 수 있는지에 따라 달라집니다.그림 1은 Isla ± 및 Isla²에 대한 기본 및 고조파 임피던스의 변화를 보여줍니다.2차 고조파 영역은 Isla ± 와 Isla² 의 변화에 따라 기파 영역으로 이동하고, 3차 고조파 영역은 Isla² 가 줄어들면서 기파 영역으로 이동한다.이 기능을 사용하면 여러 배율의 주파수 설계에서 기파 임피던스와 고조파 임피던스 사이의 중첩을 해결할 수 있습니다. 누극 효율은 Isla ± 와 Isla ² 의 함수입니다.섬과 섬에 비해 배수 효율과 출력의 변화는 그림 2와 같다.Isla ± 및 Isla²의 변화는 출력이 약간 떨어지더라도 수용 가능한 배수 효율을 달성하기 위해 유효 면적으로 제한되어야합니다.이 문서의 설계에서는 65% 이상의 누극 효율을 위해 0 ± 0.4 및 -0.4 ± 0의 조건 범위를 선택했습니다. 시뮬레이션 및 측정은 이 방법의 유효성을 검증하기 위해 저자는 Wolfspeed CGH40010F Gan 트랜지스터를 사용하여 0.5~2.3GHz 작동 주파수의 임피던스 SCFM PA를 설계했습니다.28V 및 68mA 정적 누극 오프셋에서 작동합니다.기질 매체는 Rogers입니다.4350B(섬=3.66), 두께 30mil, 금속층 두께 35섬.

고주파에서 저주파로의 반복 과정을 통해 고조파 부하 견인 시뮬레이션을 실현하여 최적의 부하 임피던스를 얻을 수 있다.여기서 고주파에서 얻은 임피던스는 저주파 고조파를 종료하는 데 사용됩니다.최적의 로드 임피던스를 얻을 때까지 이 절차를 반복합니다.출력 매칭 네트워크는 실주파수 직접 계산 기술 10으로 설계되었다.그림 3은 이러한 설계의 광대역 출력 일치 네트워크를 보여줍니다.입력 고조파 임피던스가 PA 성능에 미치는 영향은 11로 매우 작기 때문에 입력 일치 네트워크를 설계할 때 기파 일치에 더 많은 관심을 기울여야 한다.

Tasker와 Benedikt12는 널리 사용되는 CGH40010F 트랜지스터 기생 네트워크의 정확한 모델을 유도합니다.이 기생 네트워크 모델을 기반으로 I-gen과 출력이 일치하는 네트워크의 패키지 평면에서 스미스 원도의 임피던스 궤적은 그림 4와 같다.0.5 ~ 2.3GHz의 작동 주파수 대역에서 전류 평면의 계산 기파 임피던스는 이론적 영역 내 또는 근처에 유지됩니다.

저항 SCFM PA의 최종 설계는 그림 5와 같습니다.연속 입력 전력이 29dBm인 경우 시뮬레이션 및 실험 결과는 그림 6과 같습니다.0.5~2.3GHz의 주파수 범위 내에서 누극 효율은 59~79%, 포화 출력은 39.4~41.6dBm이다.실험 결과는 시뮬레이션 결과와 일치한다.

PA의 선형을 나타내기 위해 0.8, 1, 1.6 및 2GHz의 PA를 구동하기 위해 피크 평균 전력 비율이 약 7.5dB인 20MHz LTE 신호를 사용합니다.그림 7에서 볼 수 있듯이 광대역 PA는 약 5dB의 포화 여유 전력에서 선형이 양호하며, 그 중 인접 채널 누출 전력 비율 (ACLR) 이 -30dBc보다 낮고,평균 효율은 34.1∼49.1%다. 표 1은 이 PA의 성능을 다른 유사한 첨단 광대역 PA와 비교했다. 마지막으로 3차 고조파 임피던스를 도입함으로써 임피던스 SCFM의 PCB 설계 공간을 확장했다.이 방법을 사용하면 기파 임피던스와 고조파 임피던스 사이의 중첩 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.본고는 이 방법을 이용하여 광대역 고효율 PA를 설계, 구축 및 테스트하였다. 실험 결과는 시뮬레이션 결과와 일치하여 다배율 주파수 고효율 PA 설계에서의 이 방법의 유효성을 검증하였다. 20MHz LTE 신호에 의해 출력이 약 35dBm일 때 제시된 PA의 ACLR은 30dBc 미만,또한 평균 누극 효율이 34% 보다 높다.