雙頻功放在CDMA和WCDMA設(shè)備上的應(yīng)用

        CDMA/EVDO及WCDMA/HSPA是3G部署范圍最廣泛的兩種技術(shù)。此兩種技術(shù)取決于碼分多址（CDMA）數(shù)字無(wú)線技術(shù)，使許多用戶可以有效地利用同一塊射頻頻譜中的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通訊。CDMA是種依靠獨(dú)特的“切代碼”分配給每個(gè)用戶的擴(kuò)頻射頻通信，以區(qū)別在相同RF頻譜的其他使用者。頻譜擴(kuò)充提高了信道容量，并允許多個(gè)用戶使用運(yùn)營(yíng)商的完整帶寬。CDMA/EVDO網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商使用1.25MHz，而WCDMA/HSPA網(wǎng)絡(luò)利用更廣泛的5MHz。數(shù)據(jù)傳輸率還可以在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)一步增加高階調(diào)制，以提供更好的用戶體驗(yàn)與無(wú)線數(shù)據(jù)。

        多頻段CDMA和WCDMA手機(jī)需要更大的射頻設(shè)計(jì)工作，以提供足夠的輸出功率并確保線性度和效率在每個(gè)頻帶的正常運(yùn)作。設(shè)計(jì)通常包括一個(gè)功率放大器和有利每個(gè)頻段的雙工，RF濾波器和開關(guān)，以配合多個(gè)射頻輸入至單一的天線。為了降低多頻段手機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，ANADIGICS研發(fā)了雙頻CDMA和WCDMA功率放大器模塊。通過(guò)在單一封裝中集成兩個(gè)功率放大器模塊，和之前使用兩個(gè)單獨(dú)功率放大器的DC和RF信號(hào)線設(shè)計(jì)相比，可有效減少電路板面積。本文將描述雙頻功率放大器模塊在CDMA/EVDO和WCDMA/HSPA手機(jī)設(shè)計(jì)的典型應(yīng)用。

        ANANDIGICS的AWT6221曾榮獲由中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息部頒發(fā)的信息化應(yīng)用、通信技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)秀成果獎(jiǎng)。
 
        和一般標(biāo)準(zhǔn)的功率放大器相比，AWT6221雙頻功率放大器大幅降低平均電流功耗高達(dá)75％，并增加高達(dá)25％的通話時(shí)間。

        ANADIGICS的HELP3功放，比如AWT6221功率放大器采用了該公司獨(dú)有的InGaP - Plus技術(shù)，在同一BiFET晶圓片中，集成了HBT及pHEMT設(shè)備。通過(guò)可選的偏置模式， HELP3功率放大器在低范圍和中端輸出功率水平中呈現(xiàn)了最佳的效率。智能偏置電路的AWT6221降在低功率水平中可降低電流功耗至8mA。通過(guò)集成兩個(gè)獨(dú)立的功放鏈，超迷你AWT6221在這兩個(gè)頻段中提供卓越的性能，并節(jié)省印刷電路板面積，見圖1。

圖1. AWT6221參考設(shè)計(jì)
 
        AWT6221是為雙頻段WCDMA/HSPA的手機(jī)UMTS頻段2(824-849MH)和頻段5(1850 MHz到1910MHz）而開發(fā)的。3GPP技術(shù)規(guī)范了用戶設(shè)備第3級(jí)的功率,必需達(dá)到或超過(guò)這些最低性能水平：
        最大輸出功率: +24dBm +1/-3 dBm
        鄰道泄漏功率比(ACLR) +/- 5MHz: -33dBm
        鄰道泄漏功率比(ACLR) +/- 10MHz: -43dBm
最大諧波排放指定的頻率:
        30—1000MHz: -36dBm/100kHz之間
        1—12.75GHz: -30dBm/1MHz之間
        869 —894MHz: -60dBm/3.84MHz之間
        1930—1990MHz: -60dBm/3.84MHz之間
        2100—2170MHz: -60dBm/3.84MHz之間

        大部分CDMA和WCDMA網(wǎng)絡(luò)的頻分雙工系統(tǒng)，允許不同的射頻頻段分配給上行鏈路（從移動(dòng)到基站）和下行（從基站到移動(dòng)）同時(shí)間聯(lián)系。雙工器用于移動(dòng)設(shè)備以允許UL和DL利用單一的天線。UMTS頻段2中 ，我們選擇Avago科技的微型FBAR雙工高Q反應(yīng)的ACMD - 7403。針對(duì)Band 5，我們選擇Epcos低損耗SAW雙工的B - 7663。該參考設(shè)計(jì)還包括CP402A薄膜功率方向耦合器的耦合AVX,為許多頂級(jí)3G芯片組提供所需的射頻功率。
 
        AWT6221參考設(shè)計(jì)的發(fā)展起始于功放進(jìn)一步耦合與雙工S參數(shù)的測(cè)量。在此測(cè)量上，零歐姆電阻被用來(lái)縮短電路板上的匹配元件，見圖2。
 

 
        S參數(shù)描述N端口每一個(gè)端口網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)的的電壓信號(hào)。第一個(gè)數(shù)字的下標(biāo)指的是應(yīng)對(duì)口，而第二個(gè)數(shù)字指的是事件口。因此S21指信號(hào)端1在口2造成的反應(yīng)。S參數(shù)來(lái)自行和列數(shù)量相等的矩陣口。沿S矩陣對(duì)角線的參數(shù)被稱為反射系數(shù)，對(duì)角S參數(shù)被稱為透射系數(shù)，因?yàn)樗麄冎话l(fā)生在單一端口。S矩陣的二端口網(wǎng)絡(luò)見下表：

 
        反射系數(shù)（S11）針對(duì)頻段2和頻段5射頻路徑的頻率范圍來(lái)測(cè)試。功率放大器于不符合電路的輸出形成一系列的阻抗變化，其結(jié)果顯示于史密斯表格見圖3、圖4。
 

圖3. Cell Band: PA output to Antenna Port without Matching

圖4. PCS Band : PA output to Antenna Port with(out) Match
 
        對(duì)于任何功率放大器，輸出阻抗在運(yùn)作上有重大影響，并強(qiáng)烈的影響了轉(zhuǎn)移到天線，線性（ ACLR ）和運(yùn)作效率的功率。像ANADIGICS廠商的功率放大器可幫助工程師做好權(quán)衡這些負(fù)載牽引信息。最佳輸出阻抗會(huì)被其他射頻鏈元件特點(diǎn)所影響，如雙工器和交換機(jī)并不總是50Ω。變異頻率雙工特征頻段內(nèi)的優(yōu)勢(shì)及運(yùn)作溫度，在發(fā)展良好的WCDMA射頻設(shè)計(jì)中特別具挑戰(zhàn)性，見圖5、圖6。
 

圖5

 
        研發(fā)AWT6221參考設(shè)計(jì)的下一步是匹配雙工天線的阻抗，盡量減少在每個(gè)頻段阻抗的變化頻率。雖然簡(jiǎn)單的二元件從理論上看有超過(guò)窄帶頻率的優(yōu)良表現(xiàn)，在更廣泛的帶寬中獲得良好的表現(xiàn)，并補(bǔ)償由于生產(chǎn)的公差和溫度的變化，或電壓造成的可預(yù)期變數(shù)，往往需要額外的符合要素。 3元件為兩種頻帶選擇的結(jié)果顯示于史密斯圖表。匹配的網(wǎng)絡(luò)大大降低了在雙工下的阻抗變數(shù)，從而簡(jiǎn)化了可符合的其余電路，見圖7、圖8。

圖7. Cell Band: PA output to Antenna Port after Duplexer to Antenna optimization

圖8. PCS Band : PA output to Antenna Port with(out) Match
 
        研發(fā)AWT6221參考設(shè)計(jì)的再下一步是功率放大器和耦合器+雙工之間的配對(duì)。再次，針對(duì)頻帶2和頻帶5，為射頻路徑的頻率范圍來(lái)測(cè)定的反思（S11）見圖8；最終是要用于制定可符合在WCDMA運(yùn)作中，每個(gè)頻段以最小的阻抗變數(shù)，優(yōu)化功率放大器性能要求的網(wǎng)絡(luò)。與以前一樣，3元件網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)良好的效能；結(jié)果顯示于圖9、圖10的史密斯圖表。

圖8. PCS Band : PA output to Antenna Port with(out) Match

圖9. Cell Band: PA Load optimization

圖10. PCS Band : PA Load optimization
 
        最終成品參考設(shè)計(jì)符合WCDMA在頻段2和頻段5于室溫下的要求。此外，該匹配網(wǎng)絡(luò)在所有預(yù)期范圍內(nèi)，仍能保持性能規(guī)格的條件下，將變化的頻率，溫度和電源電壓減至最少，見圖11、圖12。

圖11. Cell Band ACPR performance Over Temperature and Voltage

圖12. PCS ACPR performance Over Temperature and Voltage
 
        本文中討論的參考設(shè)計(jì)可為新設(shè)計(jì)的3G手機(jī)，數(shù)據(jù)卡，無(wú)線調(diào)制解調(diào)器和其他的WCDMA/HSPA設(shè)備提供有用的起點(diǎn)發(fā)展。在研發(fā)新的設(shè)計(jì)時(shí)，工程師需要考慮設(shè)計(jì)的重要功能要求，并考慮改變?cè)谶@里討論的匹配網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)在輸出功率，線性度，效率和其他射頻參數(shù)的最佳權(quán)衡。審查每個(gè)功率放大器的負(fù)載牽引，將有助于確定可能不是50Ω的最佳輸出阻抗匹配點(diǎn)。這位工程師還必須考慮到每部分變異的射頻路徑和網(wǎng)絡(luò)選擇，減少天線輸出的變數(shù)，并且不超過(guò)預(yù)期的使用溫度，頻率和電源電壓，讓所有的射頻參數(shù)維持于可接受的水平下。最后，功率放大器的控制反射（回波損耗），以避免導(dǎo)致電路中的不穩(wěn)定或振蕩將是重要的。

        ANADIGICS的AWT6221是3G手機(jī)和數(shù)據(jù)設(shè)備中，雙頻功率放大器系列中的其中一款。目前ANADIGICS的雙頻功率放大器產(chǎn)品列出如下，新的設(shè)計(jì)也正在研發(fā)。
        • AWT6221: WCDMA/HSPA HELP3適用于UMTS頻段2及5的雙模PA
        • AWT6222: WCDMA/HSPA HELP3適用于UMTS頻段1及6的雙模PA
        • AWT6224: WCDMA/HSPA HELP3適用于UMTS頻段1及8的雙模PA
        • AWT6321: CDMA/EVDO HELP2適用于蜂窩及PCS頻段的雙模PA。