射频电路设计实录第三章,元器件选型

射频电路设计实录(RF Design Record,简称RDR)是无线时代网站推出的系列射频技术文章,记录了一款产品的完整设计过程。本文是其中的第三章,硬件架构设计与元器件选型。

3.1 LDMOS选型

3.1.1 LDMOS厂商的选择

根据第二章给出的技术规格,不难得出,整个产品的最大难点在于高阶调制方式下的10W平均射频输出功率,常规的MMIC都是无法满足要求的。根据已有经验,在W-CDMA,TD-LTE基站设备中,通常使用LDMOS作为功率放大器,因此,LDMOS也就成为了这款产品的核心器件。Freescale,Infineon,NXP是三个LDMOS的主要生产厂家。

说说我对这三家公司的认识。Freescale是由Motorola成立的半导体公司,其设计生产的PowerPC,MCU,射频器件广泛应用在网络通信,无线基础设施,工业控制领域,本人经常使用Freescale的PowerPC与i.MX系列ARM处理器。

Infineon是一家德国公司,其产品性能真心不错,我经常使用Infineon的LNA,其实最早也是出现在Atheros的参考设计中,其性能指标真的很好。

NXP是由Philips成立的半导体公司,其射频器件本人至今还未使用过,倒是用过他们的一些逻辑器件,LDO等芯片。

由于之前对Freescale最熟悉,另外与其代理商Avnet的FAE很熟悉,所以我比较倾向于选择Freescale的LDMOS。这里需要指出的是,并不是本人不愿意尝试新鲜的器件,技术,只是由于时间限制,不可能花太多的时间在这方面,如果时间足够宽裕,我会考虑选择Infineon和NXP的LDMOS。我相信这其实也是广大工程师做产品开发时会普遍遇到的问题,由于公司或者所里面上层领导的压力,不得不做出让步,只能选择自己熟悉的半导体器件,以便缩短开发时间和降低开发风险。另一方面,如果一个FAE前期提供了很多支持,同时这家公司的器件可以很好地满足产品需求,那么从道义上讲也应该选择这家公司的器件,否则会很让人心寒。

3.1.2 LDMOS具体器件的选择

上一节已经确定了使用Freescale的LDMOS作为核心器件。这一节的主要内容就是要找到一颗合适的Freescale的LDMOS。Freescale的射频器件网址是http://www.freescale.com/webapp/sps/site/homepage.jsp?code=RF_HOME,左侧是射频功率器件,按照不同的频率划分为不同的分类。其中有一个“ISM Band -2450MHz”分类很吸引人,点击这个分类,可以看到有三颗器件,如表3-1所示。

表3-1 ISM Band 2450MHz

Sr. #

Product (# of Parts)

Description

Frequency

1

MRF6P24190HR6 (2)

2450 MHz, 190 W, 28 V CW Lateral N-Channel RF Power MOSFET

2450 to 2450

2

MRF6S24140H (4)

2450 MHz, 140 W, 28 V CW Lateral N-Channel RF Power MOSFETs

2450 to 2450

3

MW7IC2425N (3)

2450 MHz, 25 W CW, 28 V Lateral N-Channel RF Power MOSFETs

2450 to 2450

表面上看,MRF6P24190HR6和MRF6S24140H的1dB压缩点都达到了100W以上,完全可以满足要求,但是经过与FAE的沟通,得知这几颗器件比较老,而且不适合做宽频的信号放大,这也解释了为什么这三颗器件的工作频率范围是2450-2450MHz。

经过FAE的推荐,我选择了MRF8S26060H,一款适用于W-CDMA基站的放大器,虽然MRF26060H的官方描述为“2620-2690 MHz, 15.5 W Avg., 28 V Single W-CDMA, LTE Lateral N-Channel RF Power MOSFETs”,但是相对于其他的放大器,MRF8S26060H在2.4GHz频段仍具有较高的增益,如图3-1所示。

MRF26020H-Broadband-Response

图3-1 MRF26020H频率响应曲线

MRF26020H的1dB压缩点为60W(连续波),即47.8dBm,考虑802.11n MCS7速率下峰均比约为8dB,则MRF26020H可输出39.8dBm的平均功率,很接近目标值,但是考虑到TR Switch的插损以及器件的不一致性,如果使用2颗MRF26020H做功率合成,则可以很好地满足产品技术规格要求。

这时,肯定有读者会发出质疑,为什么最终还是FAE推荐的?其实有一个事实,我们不得不承认:我们永远不可能比FAE更熟悉元器件。FAE能够了解到元器件厂商的最新信息,包括大家广泛使用的是什么,哪颗器件交期,价格比较好等等。这样,就可以避免设计人员走很多弯路。充分利用已有的资源,我认为也是一个合格的工程师需要具备的能力。

最终,我选择Freescale MRF8S26060H LDMOS作为产品的功率放大器,也是产品的核心器件。

3.2 驱动放大器选型

从图3-1中可以看出,LDMOS在2400-2500MHz频率范围内增益约为16dB,2颗LDMOS做功率合成的话,其增益为19dB,为了得到40dBm的平均输出功率,单颗LDMOS的输入端至少要达到21dBm,则LDMOS的总输入功率为24dBm。24dBm这样的输出功率对于运营商无线AP来说也许不是问题,但是对于家用路由器,如TP-Link,D-Link这类产品,其802.11n MCS7速率下的输出功率远远达不到。因此,为了兼容市面上大多数产品,需要在LDMOS之前使用驱动放大器,并保证可以输出24dBm以上的输出功率。

这时,另外一位FAE,也是我的好友,为我提供了有用的信息。RFPA5201E是著名射频器件厂商RFMD推出的一款大功率2.4GHz WLAN射频功率放大器,其射频输出功率可达29dBm,并满足EVM=3%,可以很好地满足本产品的需求。

RFPA5201E的主要参数,如图3-2所示。

RFPA5201E-Parameters

图3-2 RFPA5201E的主要参数

3.3 数调衰减器选型

在3.2中,可以看到RFPA5201E的典型增益为33.5dB,这是相当高的增益,为了能够灵活地调整整版的射频输出功率,需要在驱动放大器之前增加一级数调衰减器,数调衰减器+驱动放大器,使得后续的自动增益控制(AGC)成为了可能,自动增益控制也是一款合格的大功率射频产品必备的特性。

PE4302是Peregrine Semiconductor公司的一款数字可调射频衰减器,适用于FM,WCDMA,WLAN,WiMAX等产品的闭环功率控制。PE4302的最大衰减31.5dB,步进0.5dB,工作频率为DC-4GHz,可以通过并行/串行数据接口进行控制。其主要参数如图3-3所示。

PE4302-Parameters

图3-3 PE4302主要参数

PE4302的衰减量可调范围为31.5dB,配合驱动放大器RFPA5201E的33.5dB固定增益,则AGC的调整范围为2-33.5dB,足以满足各种场合。

但是,有一点必须注意,PE4302的最大输入功率为24dBm,如图3-4所示。考虑802.11n MCS7速率下8dB的功率回退,则PE4302的最大平均输入功率变为24-8=16dBm,而运营商级,企业级无线AP的输出功率往往会高于16dBm,因此,有必要在PE4302之前增加一级固定衰减器,这里我选定为12dB,后续将会在硬件设计框图中看到。

PE4302-Operating-Range

图3-4 PE4302工作范围

注:无线时代网站有专稿介绍PE4302的特性与应用,感兴趣的读者可以访问http://www.witimes.com/tech/rf-design/pe4302-in-power-control-loop.html

3.4 TR Switch选型

从3.1中可以得知,整版射频输出功率峰值可达120W以上,这就对TR Switch提出了很高的要求, WiFi产品常用的TR Switch如NEC uPG2179,NEC uPG2409,Skyworks SKY13370,RFMD RF8000均无法满足这样的要求。尝试查找环形器,发现没有2.4GHz频段的成品,只能定制。

无意间想起了以前曾经接触过的PIN Diode,适合用于大功率射频电路的收发切换,查找Skyworks的官方网站,发现有合适的产品可以使用。Skyworks的SKY12207-478LF是一款CW (Continue Wave)50W,峰值功率300W的大功率PIN Diode Switch,完全可以满足需求。

使用PIN Diode Switch的一个缺点是需要特殊的驱动电路,无线时代网站有专稿讲解PIN Diode Switch的驱动电路设计与调试,感兴趣的读者可以访问http://www.witimes.com/tech/rf-design/pin-diode-driver.html

3.5 低噪声放大器的选型

因为这款产品将会与成品无线AP连接,因此,这款产品的LNA就成为了接收链路的第一级,那么读者一定知道了这里的LNA的重要性:第一级LNA的噪声系数对于系统噪声系数懂的贡献是最大的,因此应当尽可能将这一级的LNA的噪声系数降至最低。

与一些做手机基站的朋友沟通,得知基站中通常选用噪声系数0.4dB以下的器件,这对于 WiFi产品来说似乎比较困难。BFP740是Infineon推出的高性能低噪声放大器,其噪声系数典型值为0.5dB@1.8GHz,0.85dB@6GHz,其转折频率高达42GHz。BFP740也是出现在Atheros参考设计中的一颗LNA,一直以来都觉得不错,因此本产品我选择BFP740作为低噪声放大器,其噪声系数在可接受范围内。

3.6 对数放大器的选型

我相信很多读者第一次听到对数放大器这种器件,这个产品使用对数放大器主要是用于驻波比检测。无线时代曾经发文介绍对数放大器,感兴趣的读者可以访问http://www.witimes.com/tech/rf-design/logarithmic-amplifier-profile.html。以下内容摘自ADI官方网站,很好地介绍了ADL5519的特性及应用。

ADL5519是一款双通道解调对数放大器,内置两个AD8317,能够将射频(RF)输入信号精确地转换为相应的分贝标度输出。它可以为两个RF测量通道提供精确调整的独立对数输出电压。该器件具有两个附加输出端口OUTP和OUTN,用来提供OUTA与OUTB通道之间的测量差。由于片内通道匹配,因而对数放大器输出对温度和工艺变化不敏感。

对于1 MHz至8 GHz信号,ADL5519能保持精确的对数一致性,并能在最高10 GHz下工作。±3 dB典型动态范围为62 dB,±1 dB动态范围大于50 dB (电阻:50 Ω)。ADL5519的响应时间为6 ns/8 ns(下降时间/上升时间),能够检测脉冲频率大于50 MHz的RF突发脉冲。在环境温度条件下,该器件具有极佳的对数截距稳定性。它采用3.3 V至5.5 V电源供电,典型功耗为60 mA,在禁用状态下功耗可降至1 mA以下。

这款器件能够同时提供四个对数放大器测量结果。线性dB测量结果由OUTA和OUTB提供,具有方便调整的−22 mV/dB斜率。OUTA与OUTB之间的对数放大器差值可作为差分或单端信号在OUTP和OUTN上获得。施加于VLVL上的可选电压提供一个共模基准电平,用来使OUTP和OUTN偏置于地电位以上。宽带输出引脚可以支持多种系统解决方案。

ADL5519的任一输出引脚经过配置,均可向可变增益放大器(VGA)提供一个控制电压。输出引脚的宽带噪声问题得到了特别处理,可降至最低,因此可用于控制器应用。

ADL5519采用SiGe双极性IC工艺制造,并采用5 mm × 5 mm、32引脚LFCSP封装,工作温度范围为−40°C至+125°C。

ADL5519的典型应用如下:

  • RF功率放大器线性化与增益/功率控制
  • 无线电线路发射机中的功率监控
  • 双通道无线基础设施无线电
  • 天线VSWR监控器
  • 基站、WLAN、WiMAX和雷达中的RSSI测量

查阅ADL5519的Datasheet,可以看到,测量驻波比,是ADL5519的一种主要应用,其应用框图如图3-5所示。我选定ADL5519作为驻波比检测芯片,并配合AD转换芯片完成控制。

ADL5519-VSWR

图3-5 ADL5519测量电压驻波比

3.7 硬件设计框图

3.1-3.6介绍了所有核心器件的选型,如果分析得没有错误的话,只需要配合电源电路,简易数字电路与控制电路,就可以实现预期的技术指标,这时,可以给出如图3-6所示的硬件设计框图(未包含VSWR检测电路,未包含控制电路)。图中给出了IEEE 802.11n HT20 MCS7模式下各个位置的射频功率及部分器件的插损。可以看到,本设计可以支持7.5dBm-45dBm的输入功率范围,足以匹配任何2.4GHz WLAN AP/路由器。感兴趣的读者可以仔细这张硬件设计框图,希望能够理解设计思路。

Hardware-Block-Diagram

图3-6 硬件设计框图

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