Tin tức về PCB - Thiết kế bộ khuếch đại công suất băng thông rộng với chế độ Class F liên tục kháng mở rộng

Bài viết này mô tả một cách để tăng băng thông của bộ khuếch đại công suất (PA), được thiết kế dưới dạng chuỗi mô-đun lớp F liên tục (SCFM). Sự chồng chéo giữa trở kháng sóng cơ bản và hài hòa được giải quyết và băng thông được cải thiện bằng cách đưa tải hài hòa ba lần vào kháng SCFM PA. Sử dụng phương pháp này, các tác giả đã thiết kế một PA hiệu quả cao hoạt động ở tần số 0,5 đến 2,3 GHz. Kết quả thí nghiệm cho thấy, công suất đầu ra của bộ khuếch đại công suất này là 10W, hiệu suất rò rỉ 0,5~2,3 GHz có thể đạt 59%~79%.

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền thông không dây, các hệ thống không dây thế hệ tiếp theo cần băng thông rộng hơn để đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. Là một thiết bị truyền dẫn quan trọng, PA cần phải có hiệu quả cao hơn trên băng thông rộng hơn và có khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn khác nhau.

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã khám phá các cách để tăng băng thông PA và hiệu quả. Trong năm 2009, S.C. Cripps1 đã đề xuất chế độ liên tục PA, giải quyết giới hạn băng thông của chế độ chuyển đổi truyền thống PA bằng cách giới thiệu thích hợp các sóng hài thứ cấp và thứ ba loại điện kháng. Sau đó, các loại B/J liên tục, F liên tục và F nghịch đảo PA lần lượt được đề xuất 2-6. Về mặt lý thuyết, băng thông tối đa của các mẫu B/J liên tục, F liên tục và F PA nghịch đảo được giới hạn trong một dải tần kép do trở kháng hài hòa ở các cạnh của biểu đồ Smith Circle. Do đó, hạn chế nghiêm ngặt này đối với tải trọng hài hòa khiến PA khó đạt được hiệu suất nhiều lần. Vào năm 2013, Lu và Chen7 đã đề xuất một phương pháp song song chế độ điện trở-kháng liên tục, giới thiệu trở kháng hài tương tự như điện trở trong chế độ liên tục để giảm bớt giới hạn nghiêm ngặt về tải hài hòa 8-9. Sử dụng phương pháp này, băng thông có thể vượt quá một Octave bằng cách giới thiệu điện trở và tải hài thứ cấp cũng có không gian trở kháng sóng cơ bản rộng hơn, điều này làm tăng thêm băng thông của PA băng thông rộng. Li et al. 9 đề xuất dòng điện trở mode liên tục nghịch đảo PA, tiết lộ một cách tiếp cận tương tự để thiết kế PA băng thông rộng.

Các công thức toán học được phổ biến trong bài viết này được sử dụng trong phân tích SCFM điện trở. Sự ra đời của trở kháng hài ba lần mở rộng hơn nữa không gian thiết kế và cung cấp một mức độ tự do lớn hơn trong việc thiết kế PA đa tần số, hiệu quả.

Kháng điện mở rộng SCFM Kháng điện trở truyền thống SCFM có dạng sóng sin chỉnh lưu nửa sóng trong mặt phẳng máy phát điện hiện tại vốn có của thiết bị, tức là dạng ids (?) dưới đây:

Dạng sóng điện áp vds (ω) không còn bị giới hạn nghiêm ngặt đối với sóng vuông, nhưng bao gồm một tập hợp các biến phụ thuộc vào các thông số ω và ω: bằng cách nhân dạng sóng hiện tại của điện trở SCFM với các thông số (1+ω), trở kháng hài ba lần của điện trở được đưa ra trong khi dạng sóng điện áp không thay đổi. Bằng cách này, các giải pháp trở kháng thay thế với trở kháng hài thứ cấp và thứ ba có thể thu được. Trở kháng tải tại mỗi sóng hài có thể được tính toán bằng cách chia điện áp cho dòng điện. Ở đây Zn được chỉ định là trở kháng hài bậc n. Các giá trị của Z1, Z2 và Z3 phụ thuộc vào việc các điều kiện 0 và -8/3 có thể đạt được hay không. Hình 1 cho thấy sự thay đổi trong trở kháng sóng cơ bản và hài hòa so với Isla ± và Isla². Vùng hài hòa thứ cấp di chuyển về phía vùng sóng cơ bản khi Isla ± và Isla² thay đổi, và vùng hài hòa thứ ba có xu hướng về phía vùng sóng cơ bản khi Isla² giảm. Tính năng này cho phép chúng tôi giải quyết sự chồng chéo giữa trở kháng sóng cơ bản và trở kháng hài trong thiết kế dải tần số đa cấp. Hiệu quả thoát nước là một chức năng của đảo và đảo. Những thay đổi về hiệu quả thoát nước và công suất đầu ra so với các đảo và đảo được thể hiện trong Hình 2. Các biến thể của Isla ± và Isla² nên được giới hạn trong khu vực hoạt động để hiệu quả thoát nước chấp nhận được có thể đạt được ngay cả khi công suất đầu ra giảm nhẹ. Trong thiết kế của bài viết này, phạm vi điều kiện 0 và -0,4 đã được chọn để đạt được hiệu quả thoát nước lớn hơn 65%. Mô phỏng và đo lường Để xác minh tính hiệu quả của phương pháp này, các tác giả đã sử dụng bóng bán dẫn Wolfspeed CGH40010F GaN để thiết kế SCFM PA trở kháng điện hoạt động ở tần số 0,5 đến 2,3 GHz. Nó hoạt động ở độ lệch rò rỉ tĩnh 28V và 68mA. Phương tiện cơ bản là Rogers. 4350B (đảo=3,66), độ dày 30 triệu, độ dày lớp kim loại 35 đảo.

Thông qua một quá trình lặp đi lặp lại từ tần số cao đến tần số thấp, mô phỏng lực kéo tải hài hòa có thể đạt được, dẫn đến trở kháng tải tối ưu. Trong đó, trở kháng thu được ở tần số cao được sử dụng để chấm dứt sóng hài tần số thấp. Lặp lại quá trình này cho đến khi đạt được trở kháng tải tối ưu. Mạng kết hợp đầu ra được thiết kế với công nghệ tính toán trực tiếp tần số thực 10. Hình 3 cho thấy mạng kết hợp đầu ra băng thông rộng của thiết kế này. Vì trở kháng hài hòa đầu vào có tác động rất nhỏ đến hiệu suất PA, nên chú ý nhiều hơn đến việc kết hợp sóng cơ bản khi thiết kế mạng kết hợp đầu vào.

Tasker và Benedikt12 đã đưa ra một mô hình chính xác của mạng ký sinh transistor CGH40010F được sử dụng rộng rãi. Dựa trên mô hình mạng ký sinh này, trên mặt phẳng đóng gói của I-gen và mạng khớp đầu ra, quỹ đạo trở kháng trong sơ đồ vòng tròn Smith được thể hiện trong Hình 4. Trong băng tần hoạt động từ 0,5 đến 2,3 GHz, trở kháng sóng cơ bản tính toán của mặt phẳng hiện tại được giữ trong hoặc gần khu vực lý thuyết.

Thiết kế cuối cùng của kháng SCFM PA được thể hiện trong Hình 5. Với công suất đầu vào liên tục là 29dBm, kết quả mô phỏng và thử nghiệm được thể hiện trong Hình 6. Trong dải tần số từ 0,5 đến 2,3 GHz, hiệu suất rò rỉ là 59 đến 79% và công suất đầu ra bão hòa là 39,4 đến 41,6 dBm. Kết quả thí nghiệm phù hợp với kết quả mô phỏng.

Để mô tả tuyến tính của PA, chúng tôi sử dụng tín hiệu LTE 20 MHz với tỷ lệ công suất trung bình đỉnh khoảng 7,5 dB để điều khiển PA 0,8, 1, 1,6 và 2 GHz. Như thể hiện trong Hình 7, PA băng thông rộng thể hiện tuyến tính tốt ở công suất biên bão hòa khoảng 5dB, trong đó tỷ lệ công suất rò rỉ kênh liền kề (ACLR) dưới -30dBc và hiệu suất trung bình là 34,1 đến 49,1%. Bảng 1 so sánh hiệu suất của PA này với PA băng thông rộng tiên tiến tương tự khác. Cuối cùng, không gian thiết kế PCB cho SCFM trở kháng điện được mở rộng bằng cách giới thiệu trở kháng hài ba bậc. Với phương pháp này, vấn đề chồng chéo giữa trở kháng sóng cơ bản và trở kháng hài có thể được giải quyết hiệu quả. Bài viết này đã thiết kế, xây dựng và thử nghiệm một bộ khuếch đại công suất hiệu suất cao băng thông rộng bằng cách sử dụng phương pháp này. Kết quả thử nghiệm phù hợp với kết quả mô phỏng, xác nhận hiệu quả của phương pháp này trong thiết kế bộ khuếch đại công suất hiệu suất cao băng tần nhiều lần. Bộ khuếch đại công suất được đề xuất có ACLR dưới 30dBc và hiệu suất rò rỉ trung bình trên 34% khi công suất đầu ra khoảng 35dBm được điều khiển bởi tín hiệu LTE 20MHz.