一種高效新型WCDMA直放站PA方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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)，
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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