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射频模块(射频功率放大器电路设计)

时间:2023-05-04 16:50:37 阅读:122908 作者:1030

本文主要介绍射频功率放大器的电路设计

一、阻抗匹配设计

大多数PA在内部集成了高达50欧姆的阻抗匹配设计网络,但部分大功率PA将输出端匹配置于集成芯片外部,减小了芯片面积。

常用的匹配设计包括微带线匹配设计、分立器件匹配设计网络等,在典型设计中,两者结合使用,有可能改善由分立器件数值不连续导致的匹配设计问题

PA阻抗匹配设计原理与射频阻抗匹配相同,属于共轭匹配设计,主要实现功率的最大传输。 常用的工具可以使用Smith饼图观察阻抗匹配设计的变化,同时使用ADS软件完成仿真。

二.谐波抑制

根据本人的微博《射频功率放大器 PA 的基本原理和信号分析》,谐波一般是由器件非线性产生的倍频分量。 谐波抑制对CE、FCC认证特别重要。 由于高次谐波的频率分散,所以一般使用无源滤波器来衰减高次谐波成分,具有抑制高次谐波的效果。

不仅是PA,其他设备也有可能产生高次谐波,包括调制信号输出端子。为了防止PA放大高次谐波,需要在PA输入端子中追加抑制电路。

上图所示的无源滤波器常用于2.4G频带的芯片输出端位置,该滤波器为5阶低通滤波器,截止频率约为3GHz,对2倍频和3倍频的抑制分别达到45.8dB和72.8dB。

使用无源滤波器抑制谐波具有以下优点。

简单、有成本优势

出色的性能和易于模拟

能够同时实现阻抗匹配设计

三、系统设计优化

系统设计优化主要从电源设计、匹配网络设计出发,实现PA性能的稳定改善。

3.1电源设计

功率放大器是功耗大的器件,在快速开关时瞬间流过非常大的电流,因此在主电源的供电路径中加入至少10uF的陶瓷电容器,同时尽量扩大引线,将电容器放在引线上,使其与主电源的供电路径连接PA供电电源一般有开关噪声和来自其他模块的耦合噪声,可以在靠近PA供电引脚的地方放置高频陶瓷电容器。 也需要加入扼流圈和磁珠来抑制电源噪声。

从SE2576L的结构框图可以看出,该PA共由三级放大器构成,每个级分别供电,前两级作为小信号电压的增大和开关偏置电路,工作电流小,最后一级的功率放大器其电流大。 参考DEMO设计,VCC1串联47R电阻,并联1uF电容器进行滤波; VCC2增加1000pF和10pF两个高频电容,充分去除100MHz至6GHz左右频带的噪声信号。 由于电力输出端同时提供直流供电路径,因此流过L25的电流最大,C188用于在PA打开的瞬间提供电流; L25、C193起到防止RF信号泄漏、干扰电源、与放大器前端耦合、自激或振荡的作用。 同时在主电源电路中使用10uF陶瓷电容器和10pF电容器的组合,减少PA电源网络与其他模块电源的相互干扰。

3.2输入输出端传输线

输入输出端传输线首先需要设计阻抗匹配,微带线也用50欧姆特性阻抗线布线。 连接分立元件的微带线尽量短,分支器件布置在射频信号传输主微带线上,避免天线效应引起的信号泄漏和辐射。

根据需要,可以在输入侧确保高次谐波抑制低通滤波器和型衰减网络。

在PA输入端建立型衰减网络,可以调节PA输入信号的动态线性范围,获得最佳性能。 SE2576L的增益为33dB,11g线性输出最大为26dBm时,此时的输入信号强度最大为-7dBm。 产品设计输出功率在20-25dBm范围时,输入信号范围必须控制在13-8DBM-13-8DBM13-8DBM13-8DBM以内,芯片侧输出的信号QCA9**1芯片输出信号约为9-3d BM-9

3.3接地处理

良好的接地不仅可以获得优异的性能,还可以改善温度。 一般PA芯片中间是大接地焊盘,该焊盘是主要的散热路径。 至少放置3*3的接地孔,可以有效地将热量传递到其他层的铜箔,扩大散热能力。 为了减小接地通路等

效电感值,可以增大接地孔的尺寸。
芯片一些接地和NC的引脚可以连接到地,此时可以通过这些引脚将中间的地和顶层周围地连接,进一步减小过孔引入的感性,同时增大散热面积。

芯片有效地接地,同时将顶层地区域设计的更大,减少控制线和电源线的切割,可以让热量通过最快捷的顶层铜箔散开。
3.4 电源布局
在完成器件的摆放后,再着重优化电源部分走线和布局。请参考以下原则:
 PA电源布局一般不使用电源岛,而是通过分支走线的方式来减小噪声和干扰;
 共用大电容放置在分支点处,并添加一个高频陶瓷电容滤除射频信号噪声;
 不同供电级数,电流不同,根据电流大小调整走线宽度;
 高频电容靠近芯片关键放置;
 若空间足够,可以将电源线走线长度控制在1/4波长,利用其高阻态,抑制噪声;或走一段线,也可以利用走线的等效电感,减小信号泄露。
3.5 输入输出端走线
 使用50欧姆特性阻抗微带线;
 隔直电容和衰减匹配网络靠近PA放置;
 器件摆放紧凑,分支连接器件放置在射频微带线上;
 使用微带线作匹配设计的网络,要严格按照要求计算两点线长;
 若走线有弯折,可以串接一个器件跨接,或使用弧形线连接,避免直接走90°角;
 T型和π型网络要保持电路网络应有的结构,能够很直观看出其形态和功能,实现设计的统一,也是性能的保证。

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