射頻 電路設(shè)計(jì)實(shí)錄（RF Design Record，簡(jiǎn)稱RDR）是無(wú)線時(shí)代網(wǎng)站推出的系列射頻 技術(shù)文章，記錄了一款產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)過(guò)程。本文是其中的第三章，硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)與元器件選型。
3.1 LDMOS選型
3.1.1 LDMOS廠商的選擇
根據(jù)第二章給出的技術(shù)規(guī)格，不難得出，整個(gè)產(chǎn)品的最大難點(diǎn)在于高階調(diào)制方式下的10W平均射頻輸出功率，常規(guī)的MMIC都是無(wú)法滿足要求的。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，在W-CDMA，TD-LTE基站設(shè)備中，通常使用LDMOS作為功率放大器，因此，LDMOS也就成為了這款產(chǎn)品的核心器件。Freescale，Infineon，NXP是三個(gè)LDMOS的主要生產(chǎn)廠家。
說(shuō)說(shuō)我對(duì)這三家公司的認(rèn)識(shí)。Freescale是由Motorola成立的半導(dǎo)體公司，其設(shè)計(jì)生產(chǎn)的PowerPC，MCU，射頻器件廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)通信，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)控制領(lǐng)域，本人經(jīng)常使用Freescale的PowerPC與i.MX系列ARM處理器。
Infineon是一家德國(guó)公司，其產(chǎn)品性能真心不錯(cuò)，我經(jīng)常使用Infineon的LNA，其實(shí)最早也是出現(xiàn)在Atheros的參考設(shè)計(jì)中，其性能指標(biāo)真的很好。
NXP是由Philips成立的半導(dǎo)體公司，其射頻器件本人至今還未使用過(guò)，倒是用過(guò)他們的一些邏輯器件，LDO等芯片。
由于之前對(duì)Freescale最熟悉，另外與其代理商Avnet的FAE很熟悉，所以我比較傾向于選擇Freescale的LDMOS。這里需要指出的是，并不是本人不愿意嘗試新鮮的器件，技術(shù)，只是由于時(shí)間限制，不可能花太多的時(shí)間在這方面，如果時(shí)間足夠?qū)捲＃視?huì)考慮選擇Infineon和NXP的LDMOS。我相信這其實(shí)也是廣大工程師做產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)會(huì)普遍遇到的問(wèn)題，由于公司或者所里面上層領(lǐng)導(dǎo)的壓力，不得不做出讓步，只能選擇自己熟悉的半導(dǎo)體器件，以便縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，如果一個(gè)FAE前期提供了很多支持，同時(shí)這家公司的器件可以很好地滿足產(chǎn)品需求，那么從道義上講也應(yīng)該選擇這家公司的器件，否則會(huì)很讓人心寒。
3.1.2 LDMOS具體器件的選擇
上一節(jié)已經(jīng)確定了使用Freescale的LDMOS作為核心器件。這一節(jié)的主要內(nèi)容就是要找到一顆合適的Freescale的LDMOS。Freescale的射頻器件網(wǎng)址是http://www.freescale.com/webapp/sps/site/homepage.jsp?code=RF_HOME，左側(cè)是射頻功率器件，按照不同的頻率劃分為不同的分類。其中有一個(gè)“ISM Band -2450MHz”分類很吸引人，點(diǎn)擊這個(gè)分類，可以看到有三顆器件，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壓縮點(diǎn)都達(dá)到了100W以上，完全可以滿足要求，但是經(jīng)過(guò)與FAE的溝通，得知這幾顆器件比較老，而且不適合做寬頻的信號(hào)放大，這也解釋了為什么這三顆器件的工作頻率范圍是2450-2450MHz。
經(jīng)過(guò)FAE的推薦，我選擇了MRF8S26060H，一款適用于W-CDMA基站的放大器，雖然MRF26060H的官方描述為“2620-2690 MHz, 15.5 W Avg., 28 V Single W-CDMA, LTE Lateral N-Channel RF Power MOSFETs”，但是相對(duì)于其他的放大器，MRF8S26060H在2.4GHz頻段仍具有較高的增益，如圖3-1所示。
圖3-1 MRF26020H頻率響應(yīng)曲線
MRF26020H的1dB壓縮點(diǎn)為60W（連續(xù)波），即47.8dBm，考慮802.11n MCS7速率下峰均比約為8dB，則MRF26020H可輸出39.8dBm的平均功率，很接近目標(biāo)值，但是考慮到TR Switch的插損以及器件的不一致性，如果使用2顆MRF26020H做功率合成，則可以很好地滿足產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格要求。
這時(shí)，肯定有讀者會(huì)發(fā)出質(zhì)疑，為什么最終還是FAE推薦的？其實(shí)有一個(gè)事實(shí)，我們不得不承認(rèn)：我們永遠(yuǎn)不可能比FAE更熟悉元器件。FAE能夠了解到元器件廠商的最新信息，包括大家廣泛使用的是什么，哪顆器件交期，價(jià)格比較好等等。這樣，就可以避免設(shè)計(jì)人員走很多彎路。充分利用已有的資源，我認(rèn)為也是一個(gè)合格的工程師需要具備的能力。
最終，我選擇Freescale MRF8S26060H LDMOS作為產(chǎn)品的功率放大器，也是產(chǎn)品的核心器件。
3.2 驅(qū)動(dòng)放大器選型
從圖3-1中可以看出，LDMOS在2400-2500MHz頻率范圍內(nèi)增益約為16dB，2顆LDMOS做功率合成的話，其增益為19dB，為了得到40dBm的平均輸出功率，單顆LDMOS的輸入端至少要達(dá)到21dBm，則LDMOS的總輸入功率為24dBm。24dBm這樣的輸出功率對(duì)于運(yùn)營(yíng)商無(wú)線AP來(lái)說(shuō)也許不是問(wèn)題，但是對(duì)于家用路由器，如TP-Link，D-Link這類產(chǎn)品，其802.11n MCS7速率下的輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到。因此，為了兼容市面上大多數(shù)產(chǎn)品，需要在LDMOS之前使用驅(qū)動(dòng)放大器，并保證可以輸出24dBm以上的輸出功率。
這時(shí)，另外一位FAE，也是我的好友，為我提供了有用的信息。RFPA5201E是著名射頻器件廠商RFMD推出的一款大功率2.4GHz WLAN射頻功率放大器，其射頻輸出功率可達(dá)29dBm，并滿足EVM=3%，可以很好地滿足本產(chǎn)品的需求。
RFPA5201E的主要參數(shù)，如圖3-2所示。
圖3-2 RFPA5201E的主要參數(shù)
3.3 數(shù)調(diào)衰減器選型
在3.2中，可以看到RFPA5201E的典型增益為33.5dB，這是相當(dāng)高的增益，為了能夠靈活地調(diào)整整版的射頻輸出功率，需要在驅(qū)動(dòng)放大器之前增加一級(jí)數(shù)調(diào)衰減器，數(shù)調(diào)衰減器+驅(qū)動(dòng)放大器，使得后續(xù)的自動(dòng)增益控制（AGC）成為了可能，自動(dòng)增益控制也是一款合格的大功率射頻產(chǎn)品必備的特性。
PE4302是Peregrine Semiconductor公司的一款數(shù)字可調(diào)射頻衰減器，適用于FM，WCDMA，WLAN，WiMAX等產(chǎn)品的閉環(huán)功率控制。PE4302的最大衰減31.5dB，步進(jìn)0.5dB，工作頻率為DC-4GHz，可以通過(guò)并行/串行數(shù)據(jù)接口進(jìn)行控制。其主要參數(shù)如圖3-3所示。
圖3-3 PE4302主要參數(shù)
PE4302的衰減量可調(diào)范圍為31.5dB，配合驅(qū)動(dòng)放大器RFPA5201E的33.5dB固定增益，則AGC的調(diào)整范圍為2-33.5dB，足以滿足各種場(chǎng)合。
但是，有一點(diǎn)必須注意，PE4302的最大輸入功率為24dBm，如圖3-4所示。考慮802.11n MCS7速率下8dB的功率回退，則PE4302的最大平均輸入功率變?yōu)?4-8=16dBm，而運(yùn)營(yíng)商級(jí)，企業(yè)級(jí)無(wú)線AP的輸出功率往往會(huì)高于16dBm，因此，有必要在PE4302之前增加一級(jí)固定衰減器，這里我選定為12dB，后續(xù)將會(huì)在硬件設(shè)計(jì)框圖中看到。
圖3-4 PE4302工作范圍
3.4 TR Switch選型
從3.1中可以得知，整版射頻輸出功率峰值可達(dá)120W以上，這就對(duì)TR Switch提出了很高的要求， WiFi產(chǎn)品常用的TR Switch如NEC uPG2179，NEC uPG2409，Skyworks SKY13370，RFMD RF8000均無(wú)法滿足這樣的要求。嘗試查找環(huán)形器，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有2.4GHz頻段的成品，只能定制。
無(wú)意間想起了以前曾經(jīng)接觸過(guò)的PIN Diode，適合用于大功率射頻電路的收發(fā)切換，查找Skyworks的官方網(wǎng)站，發(fā)現(xiàn)有合適的產(chǎn)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，完全可以滿足需求。
使用PIN Diode Switch的一個(gè)缺點(diǎn)是需要特殊的驅(qū)動(dòng)電路，無(wú)線時(shí)代網(wǎng)站有專稿講解PIN Diode Switch的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與調(diào)試，感興趣的讀者可以訪問(wèn)https://www.witimes.com/pin-diode-driver/。
3.5 低噪聲放大器 的選型
因?yàn)檫@款產(chǎn)品將會(huì)與成品無(wú)線AP連接，因此，這款產(chǎn)品的LNA就成為了接收鏈路的第一級(jí)，那么讀者一定知道了這里的LNA的重要性：第一級(jí)LNA的噪聲系數(shù)對(duì)于系統(tǒng)噪聲系數(shù)懂的貢獻(xiàn)是最大的，因此應(yīng)當(dāng)盡可能將這一級(jí)的LNA的噪聲系數(shù)降至最低。
與一些做手機(jī)基站的朋友溝通，得知基站中通常選用噪聲系數(shù)0.4dB以下的器件，這對(duì)于 WiFi產(chǎn)品來(lái)說(shuō)似乎比較困難。BFP740是Infineon推出的高性能低噪聲放大器 ，其噪聲系數(shù)典型值為0.5dB@1.8GHz，0.85dB@6GHz，其轉(zhuǎn)折頻率高達(dá)42GHz。BFP740也是出現(xiàn)在Atheros參考設(shè)計(jì)中的一顆LNA，一直以來(lái)都覺(jué)得不錯(cuò)，因此本產(chǎn)品我選擇BFP740作為低噪聲放大器，其噪聲系數(shù)在可接受范圍內(nèi)。
3.6 對(duì)數(shù)放大器的選型
我相信很多讀者第一次聽(tīng)到對(duì)數(shù)放大器這種器件，這個(gè)產(chǎn)品使用對(duì)數(shù)放大器主要是用于駐波比檢測(cè)。以下內(nèi)容摘自ADI官方網(wǎng)站，很好地介紹了ADL5519的特性及應(yīng)用。
ADL5519是一款雙通道解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，內(nèi)置兩個(gè)AD8317，能夠?qū)⑸漕l（RF）輸入信號(hào)精確地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的分貝標(biāo)度輸出。它可以為兩個(gè)RF測(cè)量通道提供精確調(diào)整的獨(dú)立對(duì)數(shù)輸出電壓。該器件具有兩個(gè)附加輸出端口OUTP和OUTN，用來(lái)提供OUTA與OUTB通道之間的測(cè)量差。由于片內(nèi)通道匹配，因而對(duì)數(shù)放大器輸出對(duì)溫度和工藝變化不敏感。
對(duì)于1 MHz至8 GHz信號(hào)，ADL5519能保持精確的對(duì)數(shù)一致性，并能在最高10 GHz下工作。±3 dB典型動(dòng)態(tài)范圍為62 dB，±1 dB動(dòng)態(tài)范圍大于50 dB (電阻：50 Ω)。ADL5519的響應(yīng)時(shí)間為6 ns/8 ns（下降時(shí)間/上升時(shí)間），能夠檢測(cè)脈沖頻率大于50 MHz的RF突發(fā)脈沖。在環(huán)境溫度條件下，該器件具有極佳的對(duì)數(shù)截距穩(wěn)定性。它采用3.3 V至5.5 V電源供電，典型功耗為60 mA，在禁用狀態(tài)下功耗可降至1 mA以下。
這款器件能夠同時(shí)提供四個(gè)對(duì)數(shù)放大器測(cè)量結(jié)果。線性dB測(cè)量結(jié)果由OUTA和OUTB提供，具有方便調(diào)整的?22 mV/dB斜率。OUTA與OUTB之間的對(duì)數(shù)放大器差值可作為差分或單端信號(hào)在OUTP和OUTN上獲得。施加于VLVL上的可選電壓提供一個(gè)共模基準(zhǔn)電平，用來(lái)使OUTP和OUTN偏置于地電位以上。寬帶輸出引腳可以支持多種系統(tǒng)解決方案。
ADL5519的任一輸出引腳經(jīng)過(guò)配置，均可向可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)提供一個(gè)控制電壓。輸出引腳的寬帶噪聲問(wèn)題得到了特別處理，可降至最低，因此可用于控制器應(yīng)用。
ADL5519采用SiGe雙極性IC工藝制造，并采用5 mm × 5 mm、32引腳LFCSP封裝，工作溫度范圍為?40°C至+125°C。
ADL5519的典型應(yīng)用如下：
RF功率放大器線性化與增益/功率控制 無(wú)線電線路發(fā)射機(jī)中的功率監(jiān)控 雙通道無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)線電 天線VSWR監(jiān)控器 基站、WLAN、WiMAX和雷達(dá)中的RSSI測(cè)量 查閱ADL5519的Datasheet，可以看到，測(cè)量駐波比，是ADL5519的一種主要應(yīng)用，其應(yīng)用框圖如圖3-5所示。我選定ADL5519作為駐波比檢測(cè)芯片，并配合AD轉(zhuǎn)換芯片完成控制。
圖3-5 ADL5519測(cè)量電壓駐波比
3.7 硬件設(shè)計(jì)框圖
3.1-3.6介紹了所有核心器件的選型，如果分析得沒(méi)有錯(cuò)誤的話，只需要配合電源電路，簡(jiǎn)易數(shù)字電路與控制電路，就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，這時(shí)，可以給出如圖3-6所示的硬件設(shè)計(jì)框圖（未包含VSWR檢測(cè)電路，未包含控制電路）。圖中給出了IEEE 802.11n HT20 MCS7模式下各個(gè)位置的射頻功率及部分器件的插損。可以看到，本設(shè)計(jì)可以支持7.5dBm-45dBm的輸入功率范圍，足以匹配任何2.4GHz WLAN AP/路由器。感興趣的讀者可以仔細(xì)這張硬件設(shè)計(jì)框圖，希望能夠理解設(shè)計(jì)思路。
圖3-6 硬件設(shè)計(jì)框圖
