射频功率放大器模块PCB设计

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无线产品中都可以找到射频功率放大器，通常内置于芯片组或调制解调器中。然而，在一些特殊系统中，你可能需要在特定频率下更高的功率输出，这就需要一个离散的放大器电路来提供该功率。这些系统可以采用外部振荡器并将其放大，以提供高功率信号，或者使用本地振荡器来生成将被输入放大器的所需信号。

在这个示例项目中，我将展示如何设计一个在6 GHz范围内以高功率输出（大约超过10 dB）运行的功率放大器模块。我在这里展示的模块通过+13 dB增益放大信号，并将信号传递到一个SMA连接器。该模块旨在完全独立；只需施加电源，你就可以在输出端口获得高频信号！

观看下面的播放列表，了解更多关于在6 GHz范围内运行的系统的功率放大器设计和布局。

我们的功率放大器PCB模块

我们在这个例子中将使用的功率放大器组件是来自Hittite Microwave（现在是Analog Devices）的HMC637ALP5E。这个部件具有非常高的增益和饱和水平（就IP3点和-1 dB压缩而言），以及低回波损失和简单的布局要求。设计采用QFN封装，但大多数引脚是接地或NC。

这个设计中的信号源将是一个电压控制振荡器（VCO）。这些组件在原理图和电路中也非常简单易用。对于PCB布局，它们确实需要在阻抗控制和隔离方面进行一些重要考虑，但输出可以直接馈送到功率放大器。鉴于这个VCO的功率输出，放大器将非常稳定地工作在线性范围内，因此我们预期谐波产生将会很小。

此外，我们将有两个重要的电源电路和一些辅助组件：

• 一个12V到5V的系统电源调节器（TPS562201DDCR）
• 一个双轨调节器，用于提供门电压（LM27762DSSR）

功率放大器电路

在这个示例模块中，功率放大器需要两个门电压和一个主漏电压来供电。响应范围非常广泛，从直流到大约6 GHz。功率放大器的响应范围在数据手册中列为最高6 GHz，但如果你查看数据手册第2页到第3页的所有图表，你会看到响应一直保持一致，大约到8 GHz。因此，我们很可能稍微超过6 GHz运行，系统将正常工作。

电路原理图中显示的功率放大器电路如下所示。根据我们组件的数据手册规定，我们在RFIN和RFOUT线上有AC耦合。

应用于放大器的门电压通过PCB上的一组引脚头提供。这里的想法是，如果需要，可以断开其中一个引脚头并连接到外部台式电源。这也允许手动应用放大器的上电序列。参见HMC637ALP5E数据手册的上电程序页面。

VCO、放大器响应及其调谐电压

该板上的VCO是型号HMC358MS8GE。这个组件非常简单易用，其输出可以通过在VTUNE引脚施加直流调谐电压来调整。输出范围从5.8 GHz到6.8 GHz。下面展示了VCO电路。

在VTUNE引脚上连接3V电源会使振荡器在输出引脚产生6.3 GHz的信号。请注意，从HMC637ALP5E数据手册中我们可以知道，尽管声明的截止频率为6 GHz，但我们可以期待在6.3 GHz时放大器有一致的响应。因此，在这个设计的初版中，我们将坚持直接将3V连接到VTUNE。在文章的最后，我概述了几种可以调整调谐电压的方法。

偏置Tee

通过偏置tee电路给功率放大器提供VDD电源。一个只使用单个电容和电感的偏置tee可以轻松设计以满足两个要求：

• 要通过交流信号，将需要一定的最小所需电容
• 直流路径和交流路径之间将存在一定的阻抗比，这决定了对直流源的隔离程度
• 当需要在直流侧获得更高的隔离阻抗时，电感需要更大

我使用的偏置T电路如下所示。

在6.3 GHz的VCO输出处，这个偏置T将具有大约43:1的阻抗比。过去，我使用过另一个带有偏置T的功率放大器，即使阻抗比低至1:1也能正常工作。然而，因为这个偏置T连接回一个针脚排针，我会担心一些信号会从某个针脚强烈辐射出去。因此，如果你的目标是通过负载实现最大功率传输，你可能会发现需要减小电容或增大电感，但这可能会改变偏置T的通带。应检查偏置T的带宽/通带，以确保在放大器的工作频率下进行直流阻断和功率传输。

我在另一篇文章中介绍了偏置T型网络设计的具体细节，在本文中，我将介绍对这种偏置T型网络的仿真，并展示当前偏置T型网络的功率传递情况，以及提供最大功率传递给50欧姆负载的优化后的偏置T型网络。

堆叠和PCB布局

这块电路板将放置在一个4层堆叠上，对射频线路进行共面路由。使用4层堆叠允许我在表层下方放置地面。这块电路板将在PCB的顶层放置所有所需的组件，以及射频互连路由。底层可以用于路由电源轨道，内层将是GND。这种类型的堆叠和路由将通过寄生减少确保射频部分和电源调节器部分之间的最大隔离。

这里使用的材料系统是低Dk的FR4；能满足此规格的示例品牌名称包括Isola 370HR或ITEQ。注意，对于这种类型的设计，其中互连长度相对较短，不会有过多的损失，我们不需要像Rogers那样的低损耗材料。

此模块的PCB布局需要在电源电路和射频电路之间进行分割。特别是，主要的12V至5V开关调节器将占用相当大的空间。由于电路板尺寸较小，任何开关元件都应在此板的初始平面图中远离射频线路。我将应用放置的初始区域如下所示。

上述平面图做了三件事：

• 通过利用L2上的接地，我们在电源调节器周围实现了出色的噪声控制
• 它在射频线路和针脚头部件周围留出了足够的空间
• 它为从VCO到放大器以及输出SMA连接器（J1）留出了一条直线路径

电源调节器电路的放置和布局非常基础，因此我不会在本文中重复。您可以通过此链接阅读更多关于电源布局和开关调节器布局的最佳实践。

RF布线部分如下所示。上面的堆叠中显示的阻抗配置文件被用作RF网络的设计规则；这个设置在上面链接的视频中有说明。我为RF网络添加了屏蔽，以便6 GHz信号可以沿着互连线路被封闭，最小化泄露。这些通孔之间的间距有点激进；孔壁到孔壁的间距只有12 mil，这接近制造厂通常指定的最小典型值8或10 mil。

完成的布局如下所示。添加了缝合通孔，并带有高频截止，以防止开关噪声在顶层共振。最后，我在针脚头上添加了一些丝印，上面有标志和电压指示器，以协助上电程序。

如何改进这个设计

这个设计在固定频率下工作，输出到宽带放大器。如果我们愿意，我们可以修改设计，通过实现在VTUNE引脚调整电压的能力，来包括一个可调输出电压。测试后可能需要一些其他改进。有几个选项：

1. 如有需要，可以将偏置T型电感更换为10倍至100倍的较大值，以增加输出处的阻抗比，但要注意其对所需带宽的影响。
2. 在VTUNE引脚上使用一个电位器作为电压分压器。
3. 使用DAC或可调节调节器调整VTUNE引脚上的电压；这将需要一个额外的引脚头连接到外部MCU模块（如我们的nRF52模块）。
4. 添加一个引脚头，以便可以使用外部电压源进行调谐。
5. 考虑在C6和SMA连接器的较大焊盘上加入一个渐变，以实现平滑过渡；在SMA上可能会有轻微的不匹配，可能需要一个渐变来补偿。
6. 继续第5点，对带有通孔围栏的CPW进行模拟，以确保达到阻抗目标。
7. 虽然SMA与底部引脚之间的小间隙可以工作，但增加板材厚度更为理想；制造商可以提供一个堆叠方案来实现这一点。

这可能非常有用，例如，如果您想将输出信号重新引入功率放大器的额定最大频率6 GHz。正如我上面提到的，您也可以简单地将VTUNE引脚接地，以永久设置VCO的输出为5.8 GHz。

最后，为了接入天线，我们可以在背面层添加一个贴片天线，并通过过孔添加一个探针耦合连接到天线。在电路板的背面放置一个到探针馈电的贴片天线的过孔会相当简单。然而，由于背面层的电源布线，实现这一点最简单的方法是将堆叠改为6层PCB。

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