硬件架构设计与元器件选型

big_gun

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1  LDMOS厂商的选择
9 Q7 p' Z7 [& N( c( f/ } 根据给出的技术规格，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。
- U+ i1 f; F% `. Y- H: I  e# \ 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。
4 S# J# a! L0 [; u/ ^ 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。

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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。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. # ) R8 F5 e* {/ Y5 S$ d" P# J+ U	Product (# of Parts) ) K$ z* R  T; J3 z	Description + q. J1 k0 e2 N  T, o5 }	Frequency 0 [/ ]; H6 U3 ?8 T+ ^' ^
				1	MRF6P24190HR6 (2)	2450 MHz, 190 W, 28 V CW Lateral N-Channel RF Power MOSFET 3 V  I2 V. P4 f% O	2450 to 2450 ' V* ~$ Y$ z3 N* f$ n  f
2 6 D! \% S2 d( P- j	MRF6S24140H (4) 2 y- i) V0 z4 y6 v% Q6 d( s	2450 MHz, 140 W, 28 V CW Lateral N-Channel RF Power MOSFETs - a4 @5 z% E* H) ?+ G  I7 W4 Y	2450 to 2450
3	MW7IC2425N (3) - e- D* l3 y5 n* I	2450 MHz, 25 W CW, 28 V Lateral N-Channel RF Power MOSFETs , e  m, u& m; s. V& l' k# a2 v( D	2450 to 2450

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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。
! O7 ~0 _* i3 k' O 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。
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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。
" @5 _! g/ s8 g1 S% r0 z 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。

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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。
# Q( D+ I/ \+ A1 ^3 M 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。
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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。
) G) B) Q3 p/ v. R7 q" L8 A/ } 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。
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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。

  

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。
3.4 TR Switch选型
$ t/ o5 D/ Q0 J& O 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，Wi-Fi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。
6 p9 r) q! ]( l; x4 ~, t 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。
* u7 z  W! Q* P5 \5 C/ n 3.5  低噪声放大器的选型
0 K8 [2 u; |6 N9 E  F" i- W; L 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Wi-Fi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，以下内容，很好地介绍了ADL5519的特性及应用。
. G! F8 p; ~. o& f$ | 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。
+ E8 Z! i. q9 Z2 O 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。
' E6 J$ v3 k5 Q2 q. U 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
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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。

   

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。
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图3-6 硬件设计框图

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最大持续输出功率，不得超过标称最大值，否则会造成模块永久性损坏。

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纹波和噪声是叠加在直流输出上的周期性和随机性交流成分，它也影响着输出精度，一般对纹波和噪声采用峰-峰值计量