帶自適應(yīng)控制的線性功率放大器

Linear power amplifier of Direct Amplifier Station with adaptive control

摘要: 線性功率放大器是CDMA直放站的核心模塊。本文設(shè)計的帶自適應(yīng)控制的線性功放,其功率增益G為48±0.8dB,1db壓縮點輸出功率≥37dBm,帶內(nèi)波動≤0.8dB,互調(diào)失真IMD3≤－15dBm,IMD5≤－25dBm,輸入輸出端口駐波比VSWR≤1.3,增益步進(jìn)衰減ATT范圍為31dB,自動電平控制ALC范圍為20dB,符合直放站的應(yīng)用要求.

關(guān)鍵詞: 功率放大器； 線性； 自動電平控制； 自動增益控制；

Abstract: Linear power amplifier is an important module of Direct Amplifier Station. In the present paper , a linear power amplifier(PA) with adaptive control is designed. The output power of PA is greater than 37dBm at the 1dB compressed point. It achieves a power gain of 47 dB with a good flatness of ±0.8 dB only, input and output VSWRs is better than 1.3.The third-order Intercept Point is less than -15dbm and the fifth-order Intercept Point less than -25dbm.The range of att reaches 31db,and alc 20db. It meets the demand of Direct Amplifier Station.

Key words: power amplifier; linearity; alc; agc

1引言

CDMA直放站作為一種實現(xiàn)無線覆蓋的輔助手段，用來解決盲區(qū)或?qū)⒒拘盘栠M(jìn)行延伸，調(diào)配小區(qū)業(yè)務(wù)，平衡各小區(qū)的話務(wù)量，在“導(dǎo)頻污染”地區(qū)強化主導(dǎo)頻等等，以達(dá)到低成本擴大無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的目的。功放是直放站的核心部件，CDMA系統(tǒng)的調(diào)制方式以及頻譜的利用率，對功放的線性度提出了很高的要求。放大器的非線性將造成交調(diào)嚴(yán)重，CDMA導(dǎo)頻信號混亂，通信質(zhì)量惡化等現(xiàn)象[1]。

本文研制一種功能完備的，適用于生產(chǎn)要求的870-880M5W帶自適應(yīng)控制的直放站線性功率放大器。其射頻電路部分分為三級放大，G1為增益級，G2為推動級,G3為輸出級。射頻信號經(jīng)過-3db的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入自動電平控制(ALC),再由G1放大至自動增益控制(AGC)及數(shù)控衰減部分(ATT)，又由G2,G3放大接環(huán)行器到輸出。數(shù)字控制部分主要由單片機ATMEGA8與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器TLC5620組成。

2電路設(shè)計與分析

2.1數(shù)字控制電路及數(shù)控衰減器

ATMEGA8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的單片機[2]。在線可編程，具有強大的外部接口性能，最多有23個可編程I/O口，可任意定義端口的輸入/輸出方向。TLC5620是8位的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，使用串口通信。在本功放中的電路連接如圖1所示。數(shù)控部分實現(xiàn)對功率、增益、電平、駐波、溫度、柵極電壓等的自動監(jiān)控及調(diào)節(jié)。為符合聯(lián)通CDMA的通信標(biāo)準(zhǔn)，在功放電路中采用Hittite公司的HMC274QS16砷化鎵IC數(shù)控衰減器。HMC274QS16是由5位正電平控制的數(shù)控衰減器，能工作在0.7-2.7G帶寬內(nèi)，典型的插入損耗僅2.3db，高輸入IP3=54dBm，5V的單電源供電,使增益達(dá)到31db的調(diào)節(jié)范圍，1db的節(jié)步長，由ATMEGA8的5個I/O口自動控制，以提供所需衰減量。

2.2三級級聯(lián)射頻放大電路

增益級G1采用 Sirenza公司的SGA-6289單片微波集成芯片，可工作在0-4.5G帶寬內(nèi)，單電源供電，已匹配至50歐姆，功率增益G=13.9db，輸出功率1db壓縮點P1db=18.1dbm，三階截止點OIP3=34.4dbm。G2采用Motorola公司的MW4IC915,其內(nèi)部采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有較寬的帶寬與線性度。G3采用Motorola公司的MRF9060作為功率輸出級。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，含溫度檢測電路。在該電路中，微帶線Z2-Z6與兩個高Q電容一起構(gòu)成G2與G3之間匹配網(wǎng)絡(luò)[3],在電源線與三個漏級之間分布鐵氧體磁珠 (Ferrite Bead) F1、F2，它比普通的電感有更好柵極與地之間應(yīng)連接多個不同數(shù)量級的去耦電容，它有三個方面的作用：一是作為本電路的蓄能電容；二是濾除器件產(chǎn)生的高頻噪聲，切斷其通過供電回路進(jìn)行傳播的通路；三是防止電源攜帶的噪聲對電路構(gòu)成干擾。此處采用低電壓溫度傳感器TMP36對功放電路進(jìn)行溫度監(jiān)控，將其隨溫度線形上升的檢測電壓提供給數(shù)字控制芯片ATMEGA8，通過內(nèi)部編程，ATMEGA8將MW4IC915的兩個柵極設(shè)置在該溫度下達(dá)到最優(yōu)線性度的電壓Vgs1,Vgs2上。若溫度上升到一定高度，將給監(jiān)控系統(tǒng)提供溫度報警，以保護功放不被損壞。

2.3 環(huán)行器應(yīng)用及功率檢測電路

環(huán)行器用在功率放大器之后,主要作用是防止輸出失配，高功率信號反射回來損壞功放，同時還能改善輸出駐波。經(jīng)過末級功放后的輸出功率由用微帶線設(shè)計的30dbm耦合器將部分的功率耦合到正向二極管檢波電路得到直流電壓，如圖3所示，再由運算放大器經(jīng)過一定量的電壓放大得到正向檢波電壓Vf，送至單片機ATMEGA8以判斷功放輸出功率，作為自動電平控制的依據(jù)。在環(huán)行器的端口3接50歐姆的吸收負(fù)載,在輸出端失配時吸收發(fā)射回來的信號，避免負(fù)載反射回來的信號進(jìn)入功放輸出端,起到保護功放的作用。同時，還把端口3的信號送入到反向檢波電路進(jìn)行檢波，再由運算放大器放大得到反向檢波電壓Vr。其中正反向檢波電路均采用二極管HMSM2800,運算放大器采用ST公司的LM2902。正向電壓Vf,反向電壓Vr經(jīng)ATMEGA8處理,可以得到電壓駐波比,若失配嚴(yán)重,將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出駐波告警, 從而采取相應(yīng)的保護措施，例如中止對功放電路的饋電、增加電調(diào)衰減器的衰減量等，起到保護功放電路的作用。

2.4自動電平控制

該部分采用Agilent 公司的HSMP-3814 低失真PIN二極管, 偏置和控制電壓分別確定為Vcc=5v,0≤Valc≤5v。R1=R2=510Ω，R3=R4=4.7KΩ，R5=51Ω，L1=L2=L3=33nh，C1=C2=47p。 R1 、R2 作為D2 、D3 的偏壓回路，為了減少插入損耗，就必須使R1 、R2 的值足夠大，但這樣一來就要求控制電壓比較高。因為頻帶要求不是特別寬，可在R1 、R2 和主傳輸線之間加一電感L1，L2來減小插入損耗。R3，R4，R5 作為二極管的匹配電阻,適當(dāng)選擇其參數(shù),可在大的動態(tài)衰減范圍內(nèi)為串聯(lián)和旁路二極管提供正確的偏置與分流,使整個網(wǎng)絡(luò)獲得較好的阻抗匹配，如圖4所示。

ATMEGA8以輸出功率的正向檢波電壓Vf為判斷依據(jù),當(dāng)輸入功率小時，ALC將不起控；當(dāng)輸出功率大于額定值時，ATMEGA8將使Valc隨之增大，從而增大衰減量，保證恒定的輸出功率。本電路測得，輸入功率再增加20dB，輸出功率應(yīng)保持在2dB變化范圍之內(nèi)。

2.5自動增益控制

為了保證一定的增益平坦度,以及在溫度變化時增益不至于大幅波動,本設(shè)計采用了自動增益控制(AGC),補償由溫度等變化帶來的增益波動。ATMEGA8根據(jù)檢測到的輸入輸出功率

自動調(diào)整其控制電平Vagc，Vagc是由數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5620輸出再經(jīng)運算放大器LM2902調(diào)整所得,電路原理圖如圖5所示[5]。二極管D1采用Hsmp3814的單管來實現(xiàn)，C1、C2、L1、R1作為D1的匹配與偏置電路。測得控制電壓Vagc與衰減量（Loss）關(guān)系如表1所示。

3．電路制板與測試

本文PCB板采用FR4板材，介電常數(shù)為4.2，板厚0.8mm,雙層布線。在高頻板布線時，為了保證信號的完整性，應(yīng)盡量注意避免阻抗不連續(xù)的發(fā)生，對特別重要的信號線或局部單元實施地線包圍的措施，各類信號走線不能形成環(huán)路，地線也不能形成電流環(huán)路。每個環(huán)路都相當(dāng)于一個天線,因此需要盡量減小環(huán)路的數(shù)量,環(huán)路的面積以及環(huán)的天線效應(yīng)。在電源線和信號線上采用濾波來減小電磁干擾，每個集成電路塊的附近設(shè)置一個高頻退耦電容。為了避免電磁輻射的干擾和做到良好的傳熱,整個系統(tǒng)用金屬腔體屏蔽起來。使用HP8752C網(wǎng)絡(luò)分析儀測試帶內(nèi)波動與駐波比，信號發(fā)生器E4433與頻譜儀HP8594測試功率與互調(diào)失真等參數(shù)，測得主要參數(shù)如表2所示。據(jù)前文所敘，功率增益如表3所示為49db，由于存在傳輸線損耗,測得的增益為48±0.8dB。三階互調(diào)失真IMD3在滿功率時為-15dbm，五階互調(diào)失真IMD5≤－25dBm，完全滿足CDMA的應(yīng)用要求。

4 結(jié)束語

此功率放大器功能完備，控制靈活，帶自適應(yīng)控制系統(tǒng)，有較好的線性度，實現(xiàn)了自動增益控制及自動電平可控，駐波系數(shù)小，各項指標(biāo)均符合直放站系統(tǒng)的使用要求，已應(yīng)用于直放站通信，性能可靠，以直放站的市場容量及銷售情況評估，該功放能實現(xiàn)80萬左右的經(jīng)濟價值。

參考文獻(xiàn)
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本文作者創(chuàng)新點：用單片機的自適應(yīng)控制達(dá)到較好的線性度，同時實現(xiàn)自動增益控制，自動電平控制等指標(biāo)，本設(shè)計功能完備，具有很高的使用價值，已用于CDMA通信。

指導(dǎo)老師陳迪平教授的審閱意見：
作者閱讀了大量文獻(xiàn)資料，選題具有現(xiàn)實意義，產(chǎn)品已生產(chǎn)，滿足通信行業(yè)的應(yīng)用要求，設(shè)計功能完備，性能良好，文章層次清晰，文筆通順。本文不失為一篇優(yōu)秀的研究生論文。

作者簡介：廖成芳（1983.10－），女，漢族，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院碩士研究生，主要研究方向為射頻集成電路。
陳迪平（1962－），男，漢族，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院副院長，微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)副教授，主要研究方向為電子系統(tǒng)及專用集成電路。
聯(lián)系方式：湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院微電子實驗室205室 廖成芳（收） 郵編410082