概述

随着无线局域网(WLAN)在办公室、家庭和公共场所(如：机场、宾馆、会议中心等)的广泛应用，同时，在基于802.11b无线通信网络标准元器件的支持下，这种网络正逐步成为企业通信的首选择方案。

IEEE802.11b为手提电脑或其它手持终端提供了一条接入网络资源的便利途径，从而增强了现有无线装置的功能。新一代WLAN无线收发装置将安装在与高密度闪存卡尺寸相同的PCB板上，小巧的尺寸使得PDA、数字照相机、MP3 播放器和IP无绳电话等移动设备内集成WLAN的功能成为可能。另外，WLAN得到越来越多的用户的认可还得益于不同厂商产品的兼容性和可靠性。

图1：MAX2242原理框图

MAX2242是为2.4GHz ISM波段无线LAN应用设计的线性功率放大器，能在第一旁瓣邻信道功率比(ACPR)<-33dBc和第二旁瓣ACPR<-55dBc时提供22.5dBm线性输出功率，符合IEEE802.11b 11MB/s WLAN标准。该款PA的封装形式为3 4裸片级封装(UCSP)，尺寸仅1.5mm 2.0mm，几乎和0805电阻的大小相同。小尺寸使它成为内置在PC卡和压缩闪存卡内WLAN无线收发设备的理想选择。MAX2242内部包括三级PA、功率检测器和电源管理电路(图1)。输出功率最大时，功率检测器能以 0.8dB的精度提供大于20dB的动态范围。利用该检测电路很容易实现精确的自动功率控制(AGC)功能。另外，MAX2242还有一个外部偏置控制引脚。输出功率较低时，利用外部DAC控制可以在保证足够的ACPR前提下降低电源电流，从而在全功率范围内保持尽可能高的效率。该器件工作在单电源+2.7V至 +3.6V，内部关断功能将工作电流降至0.5 A，不需要外部电源开关。利用MAX2242配合MAX2820/MAX2821零中频(IF)收发器、一个RF开关、RF带通滤波器和少数无源器件即可构建一个完整的802.11b射频前端电路。本文以MAX2242为例介绍RF功率放大器设计中的关键问题。


设计RF功率放大器

线路板布局

设计RF功率放大器时需要考虑许多因素，如：印刷电路板材料、接地方案、级间匹配/输入输出阻抗匹配、瞬态稳定性和散热处理等。印刷电路板材料一般选择FR4或G-10，这类材料适合工作频率低于3GHz的大多数低成本、无线应用。MAX2242评估板使用的是4层FR4，其介电常数为4.5，绝缘层厚度6 mil、1 oz覆铜。

接地问题在大功率或高频电路设计中非常关键，而RF功率放大器既要求大功率、也工作在很高的频段，所以，良好的接地是极为重要的。当设计RF功率放大器时，不同组件对接地的要求不同，例如：对低阻器件，考虑更多的是电流环路；而在高阻电路中则更关心可能产生的高电压。总之，需要仔细考虑接地的电流通路和组件的电流处理能力。MAX224在22.45GHz下输出阻抗只有大约(8+j5) ，0.5nH电感就可以产生8 的感抗，8 的感抗相当于介电常数为4.5、厚度为6 mil的FR4印刷电路板上一段60 mil 10 mil的微带线。在MAX2242设计中，良好的接地意味着将组件层与地平面之间的感抗降至最小，使两个不同接地点之间的电势差为0V，避免两层之间寄生信号的耦合。MAX2242有三个接地引脚：GND1、GND2和GND3。为了使感抗最小，这三个引脚接地的过孔位置要离器件尽可能近，使电路板不同层之间的感抗最小，图2是MAX2242评估板的布线图。另外，将接地过孔沿RF通道摆放可以移动匹配组件的位置，进一步优化设计，例如，为提高系统的性能可以对电容的位置作一些轻微的调整。C2的位置远离PA输出端有利于提高效率、但会降低增益和旁瓣抑制指标，如果这个电容靠近PA输出端则会得到相反的效果。

图2：MAX2242评估板段层组件层视图

匹配

MAX2242具有三级放大器，因此不仅需要输出匹配还需要级间匹配以使增益和旁瓣抑制达到最优。在MAX2242评估板的VCC1和VCC2电源线以传输线的形式产生了少量的寄生电感。调整VCC旁路电容的位置会改变从放大器端观察到的上拉电感、影响级间匹配。移动VCC1的旁路电容C10和VCC2的旁路电容C8，有利于优化系统性能。MAX2242输入匹配只需要一个串联电容和一个并联电感，输出匹配需要两个电容。输入、输出阻抗匹配通过两个重复操作过程实现。第一步通过小信号仿真获得匹配电路；第二步在大信号条件下根据实验经验调节。

瞬态稳定性

RF功率放大器设计中还要关注瞬态稳定性问题，高增益多级放大器容易受到反馈的影响，这种反馈是由输出信号耦合到输入通道引起的。电路会在相位差达到180度的频点发生振荡。为了使输出耦合到输入的RF信号最小，建议RF信号走线尽可能短，以减小天线效应。电路板接地不良也会引起振荡，PA的大电流流经阻抗不为0的地线会将电压差和注入噪声引入地线系统。按照以下设计准则能够避免MAX2242出现不稳定：在主Vcc输入端与地之间放置一个大的全局旁路电容(22 F的钽电容或电解电容)，以避免电路出现振荡趋势。在其它电源输入端增加局部退耦电容可以阻断与电源有关的反射。电源的偏置引线需要加适当的屏蔽，以防寄生RF信号耦合到偏置电源。这对于串联增益为30dB或更高的多级PA尤为重要。电源偏置的屏蔽可以通过隔离开各条电源引线实现，如果可能的话，将电源引线布在寄生信号最弱的底层地平面上或布在电路板上寄生信号最弱的其它层面上。

图3：MAX2242在2.5GHz的输出频谱

散热处理

功率晶体管的集电结需要耗散大量功率，耗散功率表现为热量，这会使结点温度上升。但是结点温度TJ不能超过额定值TJmax；否则晶体管可能永久损坏。即便不出现突然失效的情况，长期可靠性也会受到影响。硅器件的TJmax大约为150 C，作为基于硅材料的器件，MAX2242以150 C或TJmax作为它的最高结点温度。MAX2242封装在一个超小的3 4超芯片尺度封装(UCSP)内，UCSP封装技术允许芯片直接面向下焊接到PC板上，芯片的焊盘通过独立的锡球焊接到PC板的焊盘上。这种技术有别于球栅阵列、引脚型和芯片级的封装，因为它没有用于连结的导线，中间就不会有空隙。这种封装形式一方面使IC到PC板之间的电感效应最小、提高了RF性能。另一方面，它减小了封装的尺寸、并提高了热传导的特性。因此，MAX2242可以直接用评估板的地平面作为散热器。


典型应用

图3所示是利用MAX2242评估板测试的、输出为＋22.5dBm时的ACPR频谱曲线。频谱曲线是在2.45GHz频段，使用兼容IEEE802.11b CCK调制信号源测得的，数据速率为11Mb/s。MAX2242线性输出功率最大时消耗的直流电流约为310mA。大多数PA驱动器件只能提供约-4dBm的输出功率，因此其后级还需要一个高增益的功率放大器。MAX2242由三级放大器级联组成，可以提供至少26.5dB的增益以保证+22.5dBm的功率输出。WLAN应用系统中通常采用TDD模式，这要求PA器件可以独立地关断以延长接收模式下的电池寿命。为此，MAX2242片内制作了关断控制电路，在关断模式下，工作电流降至0.5 A，无需外部开关。