摘 要：采用MHVIC2115器件设计一个WCDMA驱动级放大器。采用S1P数据模型对输出匹配电路进行仿真设计，解决了器件电路模型无法获取问题。通过添加电位器，减少栅极偏置电路供电端口，方便下一步测试。对于底面源极接地，采用金属支座来承载器件，而非通过焊盘上的过孔来接地。该方法既改善了源极的导电、导热性，又方便了器件的安装固定。
关键词：射频功率放大器；输出匹配；数据模型；电压驻波比
中图分类号：TN722文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2009)03-075-03
Design of RF Power Amplifier Using MHVIC2115 Device
YU Jiajia LIU Taijun1,2,ZENG Xingbin1,2
(1.Institute of Communication Technology,Ningbo University,Ningbo,315211,China;
2.Ningbo Wireless Communication and Digital Audio Technology Key Laboratory,Ningbo,315211,China)
Abstract：This paper designs a WCDMA drive power amplifiers using MHVIC2115 device.Because there is no circuit model about this device,S1P data model is used to simulate the output match circuit.By adding potentiometers,it can reduce power supply ports of the gate bias circuit and facilitate the following measurement.In order to ground backside source terminal of the device,this paper doesn′t use the grounding holes on the pad,but uses a metal pedestal.This method improves the electrical conductivity,thermal conductivity of the backside source terminal and makes the device installing more convenient.
Keywords：RF power amplifier;output match;data model;voltage standing wave ratio
0 引 言
各种无线通信系统的发展，如GSM,WCDMA,TD-SCDMA,WiMAX和Wi-Fi，大大加速了半导体器件和射频功率放大器的研究进程。射频功率放大器在无线通信系统中起着至关重要的作用，它的设计好坏影响着整个系统的性能，因此，无线系统需要设计性能良好的放大器。不同的通信标准中，对放大器的性能指标要求又不一样。欧洲WCDMA作为3G移动通信主流标准之一［1］，所以对其放大器的研究设计具有很强的工程意义。很多器件厂商针对WCDMA标准，生产出各自的射频功率管。本文采用飞思卡尔半导体公司的MHVIC2115功率管对其放大器进行设计，利用Advanced Design System软件进行输出匹配电路仿真。
1 射频功率放大器设计
1.1 MHVIC2115介绍
MHVIC2115作为宽带集成电路，用于基站功率放大器的设计。这个器件采用飞思卡尔最新高压LDMOS技术，内部集成了三级放大模块［2］。其工作频率为1 600~2 600 MHz，而WCDMA的工作频段为2 110~2 170 MHz，能满足设计要求。MHVIC2115既可用于输出级放大器设计也适合驱动级设计。本文设计一个驱动级放大器，其增益大于30 dB，增益平坦度为±0.3 dB，P1 dB为15 W，工作电压为28 V。因为MHVIC2115为三级集成功率管，其栅极偏置有VGS1,VGS2,VGS3，如图1所示。
确定使用MHVIC2115器件后，必须对其输入输出进行匹配，满足一定的带宽、驻波比等要求［3］。考虑到MHVIC2115内部集成了输入匹配电路，所以输入端口直接接50 Ω的微带线。而器件的输出端并没有匹配到50 Ω,需要设计相应的输出匹配电路用来完成器件输出端口与端接负载间的匹配［4］。为了获得最大输出功率或效率，输出匹配电路把最佳负载匹配到50 Ω。
1.2 MHVIC2115原理图
参考厂商的datasheet中的原理图，用Protel画出相应的原理图，如图2所示。
这里对参考设计进行了改进，厂商的参考资料中的栅极偏置VGS1,VGS2,VGS2使用不同的电源端口，而本文使用电位器来调节不同偏置电压，使用同一个电源VGS。这对于测试来说是非常有利的，可以减少使用直流电压源的个数，方便调试。需要注意的是,Protel中微带线无法表示，这里只用普通的导线来代替。
1.3 输出匹配仿真
对于MHVIC2115器件，由于无法获取完整的电路
模型，本文利用datasheet中测试的数据进行输出匹配电路的设计［5,6］。根据与Zout之间的共轭关系，很容易得出器件Zout。然后利用文本编辑器生成一个Zout.s1p［7］。Zout.s1p文件中阻抗值如表1所示。
在ADS中采用S1P数据模型来代替器件的输出阻抗，把模型路径设置成Zout.s1p文件对应的路径。整个输出阻抗匹配电路［8］如图3所示，采用微带线和分立元件来设计。板材采用Arlon AD255，其相对介电常数为2.55，介质厚度为0.762 mm,铜膜厚度为35 μm。
优化前后的结果如图4所示，优化后S(1,1)小于-24 dB，此时电压驻波比VSWR小于1.13。由于Zout.s1p只包含了3个频率点，所以仿真曲线不平滑。
初步仿真后，可以再进行电路参数优化。需要注意，电容值在优化时被设置成连续的变量，但是实际厂商的电容值是离散的。所以在优化仿真之后，要把理想电容值改成离实际电容最近的值，然后再仿真。实际匹配、旁路电容采用AVX厂商的ACCU-P系列［9］的射频微波电容，该电容Q值高，容差小，等效串联电阻小，适合放大器设计。
而输入端口直接接50的微带线，宽度为2。由于器件引脚的间距小，不允许输入端口到引脚的微带线一直为2,需要一个锥形微带线过渡到引脚。
2 PCB的设计
MHVIC2115输出匹配仿真完成之后，用Protel对其进行PCB设计。在画输出电路时，实际微带线的尺寸必须与仿真参数一致。完整的PCB设计如图5所示。
PCB设计中需要注意的是，MHVIC2115器件底面源极接地设计。MHVIC2115器件采用PFT-16封
装，而飞思卡尔对PFT-16类型封装的焊盘设计进行
了详细的介绍［10］。考虑到实际焊接过程中，焊盘上过孔容易出现虚焊，或者孔内有空气填充，还会造成PCB底面焊锡堆积。为了解决上述可能存在的问题，这里割去相应的焊盘区域，然后采用金属支座来承载MHVIC2115器件。既能解决导电、导热问题，又有利于器件的安装固定。
3 结 语
该文首先介绍了MHVIC2115器件的特性。克服电路模型无法获取问题，采用S1P模型来仿真设计输出匹配电路。仿真结果表明其输出端口的S11小于-24 dB，电压驻波比VSWR小于1.13，符合设计目标。最后在PCB设计时，提出改用金属支座来承载MHVIC2115器件，用于器件底面源极接地，改善其导电、导热性，而且利于器件安装固定。
参考文献
［1］3GPP TR 25.945,RF Requirement for 1.28Mcps UTRA TDD Options ［S］.
［2］Freescale Semiconductor.RF LDMOS Wideband Integrated Power Amplifier MHVIC2115NR2［R］.Austin:Freescale Semiconductor,2006:1-11.
［3］Ulrich L Rohde,David P Newkirk.无线应用射频微波电路设计\.北京：电子工业出版社,2004.
［4］Reinhold Ludwig,Pavel Bretchko.射频电路设计——理论与应用\.北京：电子工业出版社,2002.
［5］汪小路,赵为粮,李红霞.一种基于 Agilent ADS的功率放大器输出匹配新方法\.重庆工商大学学报,2006,23(1):64-68.
［6］张玉兴.射频模拟电路\.北京：电子工业出版社,2002.
［7］Darin Wagner.Using Data Sheet Impedances for RF LDMOS Devices［R］.Austin:Freescale Semiconductor,2004:1-6.
［8］Andrei Grebrnnikov.射频与微波功率放大器设计［M］.北京:电子工业出版社,2006.
［9］AVX Corp.Thin-Film RF/Microwave Capacitors ［EB/OL］./docs/Catalogs/accuf-p.pdf,2008-05-20.
［10］Wendi Stemmons,Richard Wetz,Mahesh Shah,et al.Mounting Method for the MHVIC910HR2 (PFP-16) and Similar Surface Mount Packages ［R］.Austin:Freescale Semiconductor,2003:1-3.
作者简介 余家家 男，1983年出生，江西抚州市人，硕士研究生。主要研究方向为射频功率放大器。
刘太君 男，1965年出生，四川绵阳市人，教授，博士研究生导师。研究方向为无线射频技术，具体包括：宽带无线通信射频前端关键技术、宽带无线收发信机、射频集成电路、智能射频软件等。
曾兴斌 男，1968年出生，江西赣州市人，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为3G移动通信网及微波器件、CDMA基站关键技术、OFDM信号非线性建模和自适应预失真算法。