基于ＭＨＶＩＣ２１１５的射頻功率放大器設計

余家家　劉太君　曾興斌

摘 要：采用MHVIC2115器件設計一個WCDMA驅動級放大器。采用S1P數據模型對輸出匹配電路進行仿真設計，解決了器件電路模型無法獲取問題。通過添加電位器，減少柵極偏置電路供電端口，方便下一步測試。對于底面源極接地，采用金屬支座來承載器件，而非通過焊盤上的過孔來接地。該方法既改善了源極的導電、導熱性，又方便了器件的安裝固定。

關鍵詞：射頻功率放大器；輸出匹配；數據模型；電壓駐波比

中圖分類號：TN722文獻標識碼：B

文章編號：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

各種無線通信系統的發展，如GSM,WCDMA,TD-SCDMA,WiMAX和Wi-Fi，大大加速了半導體器件和射頻功率放大器的研究進程。射頻功率放大器在無線通信系統中起著至關重要的作用，它的設計好壞影響著整個系統的性能，因此，無線系統需要設計性能良好的放大器。不同的通信標準中，對放大器的性能指標要求又不一樣。歐洲WCDMA作為3G移動通信主流標準之一［1］，所以對其放大器的研究設計具有很強的工程意義。很多器件廠商針對WCDMA標準，生產出各自的射頻功率管。本文采用飛思卡爾半導體公司的MHVIC2115功率管對其放大器進行設計，利用Advanced Design System軟件進行輸出匹配電路仿真。

1 射頻功率放大器設計

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計。這個器件采用飛思卡爾最新高壓LDMOS技術，內部集成了三級放大模塊［2］。其工作頻率為1 600~2 600 MHz，而WCDMA的工作頻段為2 110~2 170 MHz，能滿足設計要求。MHVIC2115既可用于輸出級放大器設計也適合驅動級設計。本文設計一個驅動級放大器，其增益大于30 dB，增益平坦度為±0.3 dB，P1 dB為15 W，工作電壓為28 V。因為MHVIC2115為三級集成功率管，其柵極偏置有VGS1,VGS2,VGS3，如圖1所示。

確定使用MHVIC2115器件后，必須對其輸入輸出進行匹配，滿足一定的帶寬、駐波比等要求［3］。考慮到MHVIC2115內部集成了輸入匹配電路，所以輸入端口直接接50 Ω的微帶線。而器件的輸出端并沒有匹配到50 Ω,需要設計相應的輸出匹配電路用來完成器件輸出端口與端接負載間的匹配［4］。為了獲得最大輸出功率或效率，輸出匹配電路把最佳負載匹配到50 Ω。

1.2 MHVIC2115原理圖

參考廠商的datasheet中的原理圖，用Protel畫出相應的原理圖，如圖2所示。

這里對參考設計進行了改進，廠商的參考資料中的柵極偏置VGS1,VGS2,VGS2使用不同的電源端口，而本文使用電位器來調節不同偏置電壓，使用同一個電源VGS。這對于測試來說是非常有利的，可以減少使用直流電壓源的個數，方便調試。需要注意的是,Protel中微帶線無法表示，這里只用普通的導線來代替。

1.3 輸出匹配仿真

對于MHVIC2115器件，由于無法獲取完整的電路

模型，本文利用datasheet中測試的數據進行輸出匹配電路的設計［5,6］。根據與Zout之間的共軛關系，很容易得出器件Zout。然后利用文本編輯器生成一個Zout.s1p［7］。Zout.s1p文件中阻抗值如表1所示。

在ADS中采用S1P數據模型來代替器件的輸出阻抗，把模型路徑設置成Zout.s1p文件對應的路徑。整個輸出阻抗匹配電路［8］如圖3所示，采用微帶線和分立元件來設計。板材采用Arlon AD255，其相對介電常數為2.55，介質厚度為0.762 mm,銅膜厚度為35 μm。

優化前后的結果如圖4所示，優化后S(1,1)小于-24 dB，此時電壓駐波比VSWR小于1.13。由于Zout.s1p只包含了3個頻率點，所以仿真曲線不平滑。

初步仿真后，可以再進行電路參數優化。需要注意，電容值在優化時被設置成連續的變量，但是實際廠商的電容值是離散的。所以在優化仿真之后，要把理想電容值改成離實際電容最近的值，然后再仿真。實際匹配、旁路電容采用AVX廠商的ACCU-P系列［9］的射頻微波電容，該電容Q值高，容差小，等效串聯電阻小，適合放大器設計。

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,需要一個錐形微帶線過渡到引腳。

2 PCB的設計

MHVIC2115輸出匹配仿真完成之后，用Protel對其進行PCB設計。在畫輸出電路時，實際微帶線的尺寸必須與仿真參數一致。完整的PCB設計如圖5所示。

PCB設計中需要注意的是，MHVIC2115器件底面源極接地設計。MHVIC2115器件采用PFT-16封

裝，而飛思卡爾對PFT-16類型封裝的焊盤設計進行

了詳細的介紹［10］。考慮到實際焊接過程中，焊盤上過孔容易出現虛焊，或者孔內有空氣填充，還會造成PCB底面焊錫堆積。為了解決上述可能存在的問題，這里割去相應的焊盤區域，然后采用金屬支座來承載MHVIC2115器件。既能解決導電、導熱問題，又有利于器件的安裝固定。

3 結 語

該文首先介紹了MHVIC2115器件的特性。克服電路模型無法獲取問題，采用S1P模型來仿真設計輸出匹配電路。仿真結果表明其輸出端口的S11小于-24 dB，電壓駐波比VSWR小于1.13，符合設計目標。最后在PCB設計時，提出改用金屬支座來承載MHVIC2115器件，用于器件底面源極接地，改善其導電、導熱性，而且利于器件安裝固定。

參考文獻

［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.無線應用射頻微波電路設計.北京：電子工業出版社,2004.

［4］Reinhold Ludwig,Pavel Bretchko.射頻電路設計——理論與應用.北京：電子工業出版社,2002.

［5］汪小路,趙為糧,李紅霞.一種基于 Agilent ADS的功率放大器輸出匹配新方法.重慶工商大學學報,2006,23(1):64-68.

［6］張玉興.射頻模擬電路.北京：電子工業出版社,2002.

［7］Darin Wagner.Using Data Sheet Impedances for RF LDMOS Devices［R］.Austin:Freescale Semiconductor,2004:1-6.

［8］Andrei Grebrnnikov.射頻與微波功率放大器設計［M］.北京:電子工業出版社,2006.

［9］AVX Corp.Thin-Film RF/Microwave Capacitors ［EB/OL］.http://www.avx.com/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.

作者簡介 余家家 男，1983年出生，江西撫州市人，碩士研究生。主要研究方向為射頻功率放大器。

劉太君 男，1965年出生，四川綿陽市人，教授，博士研究生導師。研究方向為無線射頻技術，具體包括：寬帶無線通信射頻前端關鍵技術、寬帶無線收發信機、射頻集成電路、智能射頻軟件等。

曾興斌 男，1968年出生，江西贛州市人，副教授，碩士研究生導師。主要研究方向為3G移動通信網及微波器件、CDMA基站關鍵技術、OFDM信號非線性建模和自適應預失真算法。