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[導(dǎo)讀] 隨著3G技術(shù)的發(fā)展,系統(tǒng)容量的不斷提高,對系統(tǒng)的線性要求越來越高。功放作為通信系統(tǒng)的主要非線性單元,其性能的改善在整個(gè)系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。單純采用用功率回退的方法去滿足線性要求越來越困難,同時(shí)

        隨著3G技術(shù)的發(fā)展,系統(tǒng)容量的不斷提高,對系統(tǒng)的線性要求越來越高。功放作為通信系統(tǒng)的主要非線性單元,其性能的改善在整個(gè)系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。單純采用用功率回退的方法去滿足線性要求越來越困難,同時(shí)也難以滿足日益提高的效率要求。因而使得很多線性化技術(shù)被不斷應(yīng)用到功放設(shè)計(jì)中。

  目前已商用的線性化技術(shù)包括前饋、DPD和模擬預(yù)失真。其中前饋技術(shù)主要的缺點(diǎn)是,誤差環(huán)路不能同時(shí)放大有用信號,導(dǎo)致效率非常低;而DPD技術(shù)主要的特點(diǎn)是,通過處理基帶信號達(dá)到預(yù)失真的效果,因此需要將射頻信號先轉(zhuǎn)化成基帶信號,處理完成后再還原成射頻信號與PA的輸出信號進(jìn)行合成,完成信號的校正,其最大的缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜、難以調(diào)試,有效帶寬受限。與以上兩種線性化手段相比較,模擬預(yù)失真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,容易調(diào)試,效率也可滿足需求,因此已成為現(xiàn)在比較受歡迎的線性化方法。

  不過,模擬預(yù)失真最重要的就是選擇合適的非線性器件,其特性要和LDMOS非常接近,才能模擬出PA的非線性特性,最終達(dá)到預(yù)失真的效果。而這樣的器件選擇需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證,這給前期研發(fā)帶來很大挑戰(zhàn)。

  本文采用Scintera公司內(nèi)部集成的新型預(yù)失真芯片SC1887,配合NXP公司的BLF6G22LS-130,使用Doherty結(jié)構(gòu),前級推動使用BLM6G22-30G,最終完成WCDMA 30W功率輸出,為直放站客戶提供了一種針對20W整機(jī)的高效、節(jié)能的解決方案。

  SC1887預(yù)失真電路構(gòu)成

  與傳統(tǒng)的模擬預(yù)失真電路相比較,SC1887大幅簡化了預(yù)失真電路的結(jié)構(gòu),減少了外圍元器件的應(yīng)用,從而使得整個(gè)電路更加緊湊、更易小型化;同時(shí)進(jìn)一步提升了系統(tǒng)可靠性。實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。


 

圖1 SC1887預(yù)失真實(shí)現(xiàn)框圖

  該電路采用了閉環(huán)結(jié)構(gòu),對消效果比傳統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)更優(yōu)異。該芯片通過調(diào)節(jié)RFin、RFout和FFFB三個(gè)端口與各個(gè)巴倫之間的匹配,可以在600MHz到2.8GHz的帶寬內(nèi)正常工作。本方案采用村田制作所(Murata)的高Q電容和低差損電感,將三個(gè)端口回波控制在18dB以上(該板是采用Isola公司的專用板材IS680設(shè)計(jì)的四層板)。同時(shí)可通過SPI和計(jì)算機(jī)相連,隨時(shí)監(jiān)控其工作狀態(tài),使調(diào)試更加簡捷高效。

  具體實(shí)現(xiàn)方案

  DXY鼎芯實(shí)驗(yàn)室采用NXP公司的高性能LDMOS,獨(dú)立設(shè)計(jì)出一種實(shí)用的Doherty結(jié)構(gòu),與模擬預(yù)失真芯片SC1887實(shí)現(xiàn)了完美結(jié)合。射頻方案中的預(yù)推動采用NXP RFSS BGA6589,推動級采用NXP BLM6G22-30G,末級采用NXP BLF6G22LS-130。相比于業(yè)內(nèi)其他廠家的產(chǎn)品,NXP的LDMOS效率高、增益高,在高效率、大功率功放應(yīng)用方面有著不可替代的優(yōu)勢。

  其中BLF6G22LS-130單管增益可達(dá)17dB,飽和效率55%,做成Doherty后增益也有15-16dB,末級6dB回退效率在40%以上。BLM6G22-30G是塑封的集成二級IC管,增益高達(dá)28dB,效率高,是做大功率推動級的首選方案。同時(shí)為了提高輸出功率,采用研通(Yantel)高頻技術(shù)公司最新推出的低插損電橋HC2100A03。

  SC1887對RFin、RFFB兩個(gè)端口的輸入信號強(qiáng)度都有一定動態(tài)范圍要求。為了與功放更好的配合,在環(huán)路內(nèi)使用兩個(gè)ATT電路,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主通路和反饋通路的增益范圍,確保SC1887在一定的功率輸出動態(tài)范圍內(nèi)有很好的表現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)電路原理如圖2所示。


 

圖2 功放原理框圖

  測試結(jié)果分析

  測試結(jié)果如表1所示。從測試數(shù)據(jù)可以看出,在Pout=44.7dBm時(shí),對消后ACPR在52dBC以上,可以滿足3GPP頻譜發(fā)射模板。效率可以做到27%,比普通回退功放提高10%以上,顯著減少了能耗,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出運(yùn)營商的招標(biāo)要求,符合當(dāng)今節(jié)能環(huán)保、綠色低碳的發(fā)展需求。

表1 WCDMA單載波測試結(jié)果


 

  通過分析以上測試結(jié)果可以看出,該方案有如下幾大優(yōu)勢:

  1.效率高:采用Doherty加模擬預(yù)失真的線性化技術(shù),該方案與普通的HPA相比,效率至少提高10%以上。

  2.成本低:功放管在整個(gè)功放成本中占主要地位,同樣的功率輸出,該方案比傳統(tǒng)的HPA減少一半的使用量,節(jié)省成本。

  3.結(jié)構(gòu)簡單,易于調(diào)試:簡化了預(yù)失真電路的結(jié)構(gòu),減少了外圍元器件的應(yīng)用,使得整個(gè)電路更加緊湊,提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和一致性,便于生產(chǎn)調(diào)試。


 

圖3 2140MHZ 測試結(jié)果


 

圖4 WCDMA30W PA方案測試平臺

  附錄:功放的非線性失真及傳統(tǒng)模擬預(yù)失真的實(shí)現(xiàn)

  功放的非線性失真特性主要由AM-AM失真、AM-PM失真兩個(gè)特性來表征,如圖5所示。


 

圖5 功放的AM-AM、AM-PM特性示意圖

  為了便于分析,我們忽略功放的記憶效應(yīng),將功放的傳輸特性標(biāo)識為:


 

  其中Vi(t)、Vo(t)分別為功放的輸入和輸出電壓。將該式用泰勒級數(shù)展開,取前3項(xiàng),得到式(2):


 

  為簡化分析過程,我們假設(shè)輸入為點(diǎn)頻信號,即Vi=Acosω1t,則輸出信號為:


 

  從式3可以看出,由于功放的非線性,輸出信號中不僅包含有輸入信號頻率分量,還出現(xiàn)了新的直流分量、二次諧波和三次諧波分量。其中,基波分量的振幅為其中k1為線性增益,是非線性失真。

  當(dāng)k3>0時(shí),>K1,此時(shí)增益呈現(xiàn)擴(kuò)張?zhí)匦?;反之,?dāng)k3< 0時(shí),<k1 ,此時(shí)增益呈現(xiàn)壓縮特性。大部分非線性器件(包括LDMOS),其k3< 0,隨著輸入功率的升高會出現(xiàn)增益壓縮現(xiàn)象,這就是AM-AM失真。有些非線性器件在特定的偏置狀態(tài)下會出現(xiàn)k3>0的增益擴(kuò)張?zhí)匦?,傳統(tǒng)的預(yù)失真器就是要找到這樣的器件來完成預(yù)失真效果。

  AM-PM失真是指輸出信號的相位隨輸入信號幅度的變化而變化。對于一個(gè)理想的放大器,它的輸出信號的相位和輸入信號的幅度無關(guān)。然而,在實(shí)際的放大器中,輸入信號的幅度調(diào)制會導(dǎo)致輸出信號的相位調(diào)制,一般用貝塞爾函數(shù)表示,如下:



 

  實(shí)際表明,當(dāng)輸入信號為小功率信號時(shí),功放的非線性主要以AM-AM失真為主;而當(dāng)輸入信號為大功率信號時(shí),AM-PM失真較之前者對功放線性的影響更為明顯。

  功放的非線性主要是由k3<0產(chǎn)生增益壓縮而產(chǎn)生的。模擬預(yù)失真的原理就是要找到一個(gè)k3>0的器件與功放串聯(lián),使兩者的非線性相互抵消,使最終功放輸出的信號保證在線性狀態(tài)下。其原理如圖6所示。


 

圖6 預(yù)失真原理框圖

  為了保證足夠的對消效果,一般預(yù)失真都采用雙環(huán)結(jié)構(gòu),其實(shí)現(xiàn)框圖如圖7所示。


 

圖7 模擬預(yù)失真實(shí)現(xiàn)框圖

  其中通路III、IV構(gòu)成預(yù)失真產(chǎn)生環(huán)路,合路后經(jīng)通路V通過必要的衰減和移相再與通路I的主信號合成最終完成預(yù)失真的效果。一般通路IV上的IM3產(chǎn)生器的器件選擇都比較嚴(yán)格。

  整個(gè)電路需要IV、V兩個(gè)通路同時(shí)嚴(yán)格的調(diào)整衰減和相位,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,調(diào)試難度也很高。
 

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