手頭有一批 1.95GHz 的 CDMA 基站板卡要做前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大，翻了一圈功放選型，最后落在 Freescale Semiconductor 的 MHL19338N 上。這顆料在 1.9-2.2GHz 頻段內(nèi)能給出 32dB 小信號(hào)增益，P1dB 壓到 36dBm，工作在 28V 供壓下。這種典型的 5W 級(jí)功放管，通常被塞進(jìn) TO-272 WB-16 這種帶扁平引線的封裝里，用在宏基站 RRU 的驅(qū)動(dòng)級(jí)或者小功率直放站的末級(jí)。
射頻功放的調(diào)試，說(shuō)白了就是在增益、效率和線性度之間找平衡。MHL19338N 這類器件的 datasheet 上一般只給你典型應(yīng)用電路和 S 參數(shù)，但真正貼回板子上，走線寄生、接地過(guò)孔、散熱銅皮都會(huì)讓實(shí)際表現(xiàn)和手冊(cè)數(shù)據(jù)拉開(kāi)距離。下面從幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)和實(shí)測(cè)中容易踩的坑來(lái)聊。
內(nèi)部拓?fù)渑c靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置
MHL19338N 內(nèi)部是單級(jí) GaAs HBT 結(jié)構(gòu)還是 LDMOS，這里先不猜——手冊(cè)上沒(méi)明說(shuō)，但從 28V 供壓和 TO-272 這種大散熱封裝來(lái)看，大概率是 LDMOS 工藝。這類管子工作在 AB 類偏置點(diǎn)，靜態(tài)電流通常設(shè)定在 200mA 到 500mA 之間。MHL19338N 的 datasheet 給出的典型電流是 500mA，這意味著靜態(tài)功耗 14W，散熱片面積小了肯定壓不住。
偏置電路的設(shè)計(jì)直接影響線性度。LDMOS 管的柵極閾值電壓隨溫度漂移明顯，大概 -1mV/℃ 到 -2mV/℃ 這個(gè)范圍。如果直接用固定電壓偏置，管子熱了以后靜態(tài)電流會(huì)往上沖，熱失控風(fēng)險(xiǎn)不小。實(shí)際項(xiàng)目里我一般會(huì)用有源偏置或者溫補(bǔ)電路，把靜態(tài)電流鎖定在設(shè)定值附近。調(diào)試時(shí)用一個(gè)可調(diào)電源慢慢加?xùn)艍?，同時(shí)盯著電流表，電流穩(wěn)定在 480-520mA 才算到位。另外，柵極饋電線路上的退耦電容不能省，100pF、1nF、10nF 三級(jí)并聯(lián)，再加一個(gè) 10μF 電解電容兜底，把電源紋波壓下去，否則功放的 AM-PM 失真會(huì)很難看。
增益、P1dB 和噪聲系數(shù)的取舍邏輯
MHL19338N 的小信號(hào)增益標(biāo)稱 32dB，在 1.95GHz 測(cè)試頻率下測(cè)的。這里有個(gè)工程上的細(xì)節(jié)：功放的增益平坦度很重要，CDMA 信號(hào)占 1.25MHz 帶寬，雖然窄帶應(yīng)用對(duì)平坦度要求不算苛刻，但如果是多載波場(chǎng)景（比如同時(shí)放大 4 個(gè) CDMA 載波），整個(gè) 1.9-2.2GHz 頻段內(nèi)的增益波動(dòng)就必須控制在 ±0.5dB 以內(nèi)。實(shí)測(cè)下來(lái)這顆料從 1.9GHz 到 2.2GHz 大概有 0.8dB 左右的滾降，屬于正常范圍。
P1dB 36dBm 意味著什么？輸出功率 4W 時(shí)增益壓縮 1dB。對(duì)于 CDMA 這種高峰均比的信號(hào)，功放要回退到 P1dB 以下 6-10dB 工作，也就是實(shí)際輸出 26-30dBm 平均功率，才能保證 ACLR 指標(biāo)合格。如果你把這個(gè)管子硬推到 P1dB 以上，鄰道泄漏會(huì)飆升，基站那邊肯定過(guò)不了 3GPP TS 25.104 的規(guī)范。噪聲系數(shù) 4.2dB 在驅(qū)動(dòng)級(jí)里不算低，但功放鏈路的噪聲系數(shù)主要由前級(jí) LNA 決定，驅(qū)動(dòng)級(jí)的 NF 影響有限，所以這顆料的設(shè)計(jì)重點(diǎn)還是放在增益和功率上。
輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試方法
TO-272 封裝的引線電感不能忽略。手冊(cè)上給的 S 參數(shù)是在特定測(cè)試板上測(cè)的，你的板子走線寬度、介質(zhì)厚度一變，匹配網(wǎng)絡(luò)就得重新調(diào)整。我調(diào)試時(shí)習(xí)慣用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀先測(cè) S11 和 S22，目標(biāo)是把輸入回波損耗做到 -15dB 以下、輸出做到 -12dB 以下。如果輸入匹配不好，前級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)看到駐波，輕則增益波動(dòng)，重則自激。
匹配網(wǎng)絡(luò)一般用微帶線加集總元件混合實(shí)現(xiàn)。MHL19338N 的輸入阻抗在 1.95GHz 附近大概是 3.2-j4.5Ω 這種低阻值，輸出阻抗大約 6.8-j2.1Ω。要用四分之一波長(zhǎng)線或者 L-C 網(wǎng)絡(luò)把它變換到 50Ω。這里有個(gè)經(jīng)驗(yàn)值：LDMOS 管輸入阻抗的實(shí)部通常在 1-5Ω，串一個(gè) 1-3nH 的電感可以把虛部拉高，再并一個(gè)電容就能收斂到 50Ω。調(diào)試時(shí)先用 Smith 圓圖模擬，再上板用微帶線微調(diào)，注意電容盡量用高 Q 值的 ATC 或 Johanson 的 0603 規(guī)格，普通貼片電容在這個(gè)頻段損耗偏大。
匹配電路做完以后，一定要用頻譜儀加功率計(jì)測(cè)實(shí)際增益和輸出功率，不能只看網(wǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)。網(wǎng)分是小信號(hào)激勵(lì)，功放大信號(hào)下的增益會(huì)因非線性而略有變化，這兩個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)不上是正常的。
CDMA 和 PCS 系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用工況
MHL19338N 的 RF Type 標(biāo)注支持 CDMA、PCS、TDMA。在實(shí)際基站里，它常被用作 PCS 1900MHz 頻段的驅(qū)動(dòng)放大級(jí)。比如一個(gè)典型的直放站鏈路：LNA 接收 → 混頻 → IF 濾波 → 中頻放大 → 上變頻 → 驅(qū)動(dòng)級(jí)（MHL19338N） → 末級(jí)功放。驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出 30dBm 左右，推末級(jí)大功率管跑到 43-46dBm。這個(gè)分工很清晰。
工作電壓 28V 是標(biāo)準(zhǔn)基站供電軌。有些小型設(shè)備用 24V 或者 12V，那就得重新計(jì)算偏置點(diǎn)和輸出匹配。電壓降下來(lái)以后，P1dB 會(huì)跟著掉，這個(gè)要有心理準(zhǔn)備。另外，散熱設(shè)計(jì)上，TO-272 封裝底部有裸露的散熱片，必須焊接到 PCB 的銅皮上，過(guò)孔陣列要打密一點(diǎn)——推薦 0.3mm 孔徑、1.0mm 間距，下面連到整塊地銅。如果不這樣做，熱阻會(huì)從手冊(cè)上的 1.5℃/W 飆升到 5℃/W 以上，管子結(jié)溫超過(guò) 150℃，可靠性就懸了。
調(diào)試時(shí)容易忽略的幾個(gè)問(wèn)題
第一個(gè)坑是電源去耦不足導(dǎo)致的低頻自激。28V 供電線如果走線太長(zhǎng)，電感效應(yīng)和功放的低頻增益疊加，會(huì)產(chǎn)生幾百 kHz 的振蕩?，F(xiàn)象是電流表讀數(shù)不穩(wěn)定，輸出頻譜上出現(xiàn)雜散。解決辦法是在供電壓敏點(diǎn)加 4.7μF 鉭電容和 100nF 陶瓷電容并聯(lián)，并且盡量靠近管腳放置。
第二個(gè)坑是 PCB 接地不完整。TO-272 封裝的源極（或發(fā)射極）靠封裝底部的散熱片接地，如果散熱焊盤周圍有過(guò)孔阻礙，或者接地銅皮被信號(hào)走線切斷，等效源極電感會(huì)增大，導(dǎo)致功率增益下降和穩(wěn)定性惡化。用 VNA 測(cè) S22 時(shí)如果發(fā)現(xiàn)輸出端 Smith 圓圖上的軌跡有異常的小環(huán)，大概率是接地問(wèn)題。
第三個(gè)坑是隔離度不夠引起的反饋振蕩。輸入輸出走線如果平行過(guò)長(zhǎng)，或者共用一段地回流路徑，耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)會(huì)形成正反饋。表現(xiàn)為不加信號(hào)時(shí)輸出端口有寬頻譜的噪聲底抬高。處理方法是輸入輸出走線垂直交叉，中間加接地過(guò)孔隔離，必要時(shí)在兩級(jí)之間加一個(gè) 1dB 到 3dB 的衰減片破壞反饋條件。
MHL19338N 關(guān)鍵參數(shù)匯總
| 參數(shù)名 | 數(shù)值 | 工程意義說(shuō)明 |
|---|---|---|
| Frequency（工作頻率） | 1.9GHz ~ 2.2GHz | 覆蓋 PCS1900、CDMA 核心頻段，帶寬 300MHz 可用 |
| P1dB（1dB 壓縮點(diǎn)輸出功率） | 36dBm | 4W 線性輸出能力，實(shí)際信號(hào)需回退 6-10dB 使用 |
| Gain（小信號(hào)增益） | 32dB | 單級(jí)放大能力較強(qiáng)，可省去一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路 |
| Noise Figure（噪聲系數(shù)） | 4.2dB | 對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)影響有限，若用于接收鏈路前端則偏高 |
| Supply Voltage（工作電壓） | 28V | 標(biāo)準(zhǔn)基站供電軌，需保證紋波小于 50mVpp |
| Current Supply（靜態(tài)電流） | 500mA | AB 類偏置典型值，靜態(tài)功耗約 14W |
| Test Frequency（測(cè)試頻率） | 1.95GHz | S 參數(shù)和增益在該頻點(diǎn)下測(cè)試 |
| Package / Case（封裝形式） | TO-272-16 Flat Leads | 帶散熱焊盤，需確保底部良好接地及足夠過(guò)孔散熱 |
這里面最值得關(guān)注的是增益 32dB + P1dB 36dBm 這個(gè)組合。單級(jí)放大器同時(shí)做到這兩個(gè)指標(biāo)，意味著你在驅(qū)動(dòng)級(jí)可以省掉一級(jí)放大電路，成本和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)都降了。但注意，32dB 增益的管子，輸入輸出隔離度如果不夠，板上稍微有一點(diǎn)寄生反饋就很容易自激。所以調(diào)試時(shí)先看穩(wěn)定因子 K 值，在 1.9-2.2GHz 全頻段內(nèi)要大于 1，最好大于 1.3 才保險(xiǎn)。
噪聲系數(shù) 4.2dB 如果放在接收鏈路里肯定偏高，但 MHL19338N 定位就是發(fā)射鏈路驅(qū)動(dòng)級(jí)，這個(gè)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)整體 NF 的貢獻(xiàn)經(jīng)過(guò)前級(jí) LNA 的增益壓制后，幾乎可以忽略。如果你真的打算把它用在收發(fā)共用鏈路上——比如某些 TDD 系統(tǒng)——那就要額外評(píng)估一下接收靈敏度的預(yù)算了。
匹配電路與散熱設(shè)計(jì)的落地建議
基于前面這些參數(shù)分析，給出幾條具體的板級(jí)建議。
輸入匹配網(wǎng)絡(luò)用高通 L 型結(jié)構(gòu)。MHL19338N 的輸入阻抗實(shí)部太低，直接并電容效率不高，先串一個(gè) 2.2nH 高 Q 電感把阻抗圓圖上移，再并一個(gè) 3.3pF 電容落到 50Ω 附近。具體值以網(wǎng)分實(shí)測(cè)為準(zhǔn)，Smith 圓圖的仿真只能做初值。
輸出匹配在 1.95GHz 下用兩段微帶線，第一段特性阻抗 35Ω、電長(zhǎng)度 20° 用于拉高阻抗，第二段 50Ω 四分之一波長(zhǎng)線做變換。微帶線建議用 Rogers 4350B 板材，0.762mm 厚度，銅箔 1oz。如果用普通 FR4，介質(zhì)損耗在 2GHz 已經(jīng)比較明顯，功放效率會(huì)掉 2-3 個(gè)百分點(diǎn)。
散熱設(shè)計(jì)按 14W 靜態(tài)功耗 + 約 8W 射頻損耗來(lái)算總功耗 22W，加上設(shè)計(jì)裕量 30% 以后按 28W 做。TO-272 封裝到外殼熱阻約 1.5℃/W，要做到結(jié)溫 125℃ 以下，外殼溫度不能超過(guò) 83℃，這意味著散熱器熱阻要小于 2.1℃/W。如果沒(méi)有主動(dòng)風(fēng)冷，這個(gè)散熱器體積不算小。
最后提醒一下，靜電防護(hù)別忽略。LDMOS 管的柵極氧化層很薄，ESD 耐壓通常只有幾百伏，人體模型 HBM 等級(jí)大約在 Class 1C 左右。焊接時(shí)要用接地烙鐵，拿取時(shí)戴防靜電手環(huán)，板子上的靜電保護(hù)二極管位最好預(yù)留，即使不放料，焊盤留著也方便后期補(bǔ)救。
