《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種高效新型WCDMA直放站PA方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要: 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(jí)推動(dòng)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(duì)20W整機(jī)的高效、節(jié)能的解決方案。
Abstract:
Key words :

隨著3G技術(shù)的發(fā)展,系統(tǒng)容量的不斷提高,對(duì)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(hào),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(hào)達(dá)到預(yù)失真的效果,因此需要將射頻信號(hào)先轉(zhuǎn)化成基帶信號(hào),處理完成后再還原成射頻信號(hào)與PA的輸出信號(hào)進(jìn)行合成,完成信號(hào)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(jiǎn)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(jí)推動(dòng)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(duì)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(jiǎn)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。

 SC1887 預(yù)失真實(shí)現(xiàn)框圖圖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(duì)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(jiǎn)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(dòng)采用 NXP  RFSS  BGA6589,推動(dòng)級(jí)采用NXP BLM6G22-30G,末級(jí)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(shì)。

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(jí) 6dB 回退效率在 40%以上。BLM6G22-30G 是塑封的集成二級(jí) IC 管,增益高達(dá) 28dB,效率高,是做大功率推動(dòng)級(jí)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(duì) RFin、RFFB 兩個(gè)端口的輸入信號(hào)強(qiáng)度都有一定動(dòng)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(dòng)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。

圖 2  功放原理框圖。

測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果如表 1 所示。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,在 Pout=44.7dBm 時(shí),對(duì)消后A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%以上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出運(yùn)營(yíng)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(cè)試結(jié)果

表 1     WCDMA 單載波測(cè)試結(jié)果

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

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 HP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,該方案少一半的使用量,節(jié)省成本。

3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于調(diào)試:簡(jiǎn)化了預(yù)失真電路的結(jié)構(gòu),減少了外圍元器件的路更加緊湊,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。
 
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(shí)為:

2140MHZ 測(cè)試結(jié)果

圖 3 2140MHZ 測(cè)試結(jié)果

WCDMA30W PA 方案測(cè)試平臺(tái)

圖 4 WCDMA30W PA 方案測(cè)試平臺(tái)

功放的 AM-AM、AM-PM 特性示意圖

圖 5  功放的 AM-AM、AM-PM 特性示意圖

預(yù)失真原理框圖

圖 6  預(yù)失真原理框圖.

模擬預(yù)失真實(shí)現(xiàn)框圖

圖 7 模擬預(yù)失真實(shí)現(xiàn)框圖.

為了保證足夠的對(duì)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。

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(hào)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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