基于MHVIC2115的射頻功率放大器設(shè)計(jì)

0 引 言
    各種無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，如GSM，WCDMA，TD—SCDMA，WiMAX和Wi—Fi，大大加速了半導(dǎo)體器件和射頻功率放大器的研究進(jìn)程。射頻功率放大器在無(wú)線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它的設(shè)計(jì)好壞影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此，無(wú)線系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)性能良好的放大器。不同的通信標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)放大器的性能指標(biāo)要求又不一樣。歐洲WCDMA作為3G移動(dòng)通信主流標(biāo)準(zhǔn)之一，所以對(duì)其放大器的研究設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的工程意義。很多器件廠商針對(duì)WCDMA標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)出各自的射頻功率管。本文采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MH—VIC2115功率管對(duì)其放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用Advanced Design System軟件進(jìn)行輸出匹配電路仿真。

1 射頻功率放大器設(shè)計(jì)
1．1 MHVIC2115介紹
    MHVIC2115作為寬帶集成電路，用于基站功率放大器的設(shè)計(jì)。這個(gè)器件采用飛思卡爾最新高壓LD—MOS技術(shù)，內(nèi)部集成了三級(jí)放大模塊。其工作頻率為1 600～2 600 MHz，而WCDMA的工作頻段為2 110～2 170 MHz，能滿足設(shè)計(jì)要求。MHVIC2115既可用于輸出級(jí)放大器設(shè)計(jì)也適合驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器，其增益大于30 dB，增益平坦度為±0．3 dB，P1dB為15W，工作電壓為28 V。因?yàn)镸HVIC2115為三級(jí)集成功率管，其柵極偏置有VGSl，VGS2，VGS3，如圖1所示。

確定使用MHVIC2115器件后，必須對(duì)其輸入輸出進(jìn)行匹配，滿足一定的帶寬、駐波比等要求。考慮到MHVIC2115內(nèi)部集成了輸入匹配電路，所以輸入端口直接接50Ω的微帶線。而器件的輸出端并沒有匹配到50 Ω，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的輸出匹配電路用來(lái)完成器件輸出端口與端接負(fù)載間的匹配。為了獲得最大輸出功率或效率，輸出匹配電路把最佳負(fù)載匹配到50Ω。
1．2 MHVIC2115原理圖
    參考廠商的datasheet中的原理圖，用Protel畫出相應(yīng)的原理圖，如圖2所示。

 這里對(duì)參考設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，廠商的參考資料中的柵極偏置VGSl，VGS2，VGS2使用不同的電源端口，而本文使用電位器來(lái)調(diào)節(jié)不同偏置電壓，使用同一個(gè)電源VGS。這對(duì)于測(cè)試來(lái)說(shuō)是非常有利的，可以減少使用直流電壓源的個(gè)數(shù)，方便調(diào)試。需要注意的是，Protel中微帶線無(wú)法表示，這里只用普通的導(dǎo)線來(lái)代替。
1．3 輸出匹配仿真
    對(duì)于MHVIC2115器件，由于無(wú)法獲取完整的電路模型，本文利用datasheet中測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出匹配電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)與Zout之間的共軛關(guān)系，很容易得出器件Zout。然后利用文本編輯器生成一個(gè)Zout．slp。Zout.slp文件中阻抗值如表1所示。

 在ADS中采用S1P數(shù)據(jù)模型來(lái)代替器件的輸出阻抗，把模型路徑設(shè)置成Zout．slp文件對(duì)應(yīng)的路徑。整個(gè)輸出阻抗匹配電路如圖3所示，采用微帶線和分立元件來(lái)設(shè)計(jì)。板材采用Arlon AD255，其相對(duì)介電常數(shù)為2．55，介質(zhì)厚度為0．762 mm，銅膜厚度為35μm。
    優(yōu)化前后的結(jié)果如圖4所示，優(yōu)化后S(1，1)小于一24 dB，此時(shí)電壓駐波比VSWR小于1．13。由于Zott.slp只包含了3個(gè)頻率點(diǎn)，所以仿真曲線不平滑。

 初步仿真后，可以再進(jìn)行電路參數(shù)優(yōu)化。需要注意，電容值在優(yōu)化時(shí)被設(shè)置成連續(xù)的變量，但是實(shí)際廠商的電容值是離散的。所以在優(yōu)化仿真之后，要把理想電容值改成離實(shí)際電容最近的值，然后再仿真。實(shí)際匹配、旁路電容采用AVX廠商的ACCU—P系列的射頻微波電容，該電容Q值高，容差小，等效串聯(lián)電阻小，適合放大器設(shè)計(jì)。
    而輸入端口直接接50的微帶線，寬度為2。由于器件引腳的間距小，不允許輸入端口到引腳的微帶線一直為2，需要一個(gè)錐形微帶線過(guò)渡到引腳。

2 PCB的設(shè)計(jì)
    MHVIC2115輸出匹配仿真完成之后，用Protel對(duì)其進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。在畫輸出電路時(shí)，實(shí)際微帶線的尺寸必須與仿真參數(shù)一致。完整的PCB設(shè)計(jì)如圖5所示。

PCB設(shè)計(jì)中需要注意的是，MHVIC2115器件底面源極接地設(shè)計(jì)。MHVIC2115器件采用PFT一16封裝，而飛思卡爾對(duì)PFT一16類型封裝的焊盤設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹?？紤]到實(shí)際焊接過(guò)程中，焊盤上過(guò)孔容易出現(xiàn)虛焊，或者孔內(nèi)有空氣填充，還會(huì)造成PCB底面焊錫堆積。為了解決上述可能存在的問(wèn)題，這里割去相應(yīng)的焊盤區(qū)域，然后采用金屬支座來(lái)承載MH—VIC2115器件。既能解決導(dǎo)電、導(dǎo)熱問(wèn)題，又有利于器件的安裝固定。

3 結(jié) 語(yǔ)
    該文首先介紹了MHVIC2115器件的特性?？朔娐纺Ｐ蜔o(wú)法獲取問(wèn)題，采用S1P模型來(lái)仿真設(shè)計(jì)輸出匹配電路。仿真結(jié)果表明其輸出端口的S11小于一24 dB，電壓駐波比VSWR小于1．13，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。最后在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，提出改用金屬支座來(lái)承載MHVIC2115器件，用于器件底面源極接地，改善其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，而且利于器件安裝固定。