隨著蜂窩網絡數據傳輸速率的提升，數據卡以及手機對于數據傳輸的需求也日益增加。就WCDMA手機功放而言，由于手機經常在基站密集的城市區(qū)域使用，因此在中低輸出功率范圍內需要高效率的工作;在另一方面，對于數據傳輸來說，傳輸量的增加導致了PA更多地工作于高輸出功率模式下。對于數據卡和手機來說，高功效對數據卡更加重要。因此很多功放廠家除提供用于手機的功放以外，還會專門開發(fā)適用于數據卡或者高速率數據傳輸領域的功放。三菱電機開發(fā)了一款用于數據傳輸的高效率功放“BA012Fx”，并已于近期發(fā)布。本文主要介紹BA012Fx系列的設計理念以及實驗結果。
基于GaAs HBT工藝的數據卡用新型功放
GaAs HBT(砷化鎵異質結雙極型晶體管)放大器被廣泛應用在CDMA手機領域。這是由于HBT比FET(場效應管)擁有更高的輸出功率密度，而且HBT可以由一路偏置電壓驅動。因此，HBT功率放大器在手機領域已經發(fā)展了多年。
三菱電機專門為數據卡開發(fā)了BA012Fx系列功放，該系列擁有5個頻段，分別為Band1(1920MHz~1980MHz)、Band2(1850MHz~1910MHz)、Band3(1710MHz~1785MHz)、Band5(824MHz~849MHz)、Band8(880MHz~915MHz)，適用于亞洲、北美、歐洲以及日本的WCDMA網絡。
圖1顯示了BA012Fx系列功放模塊的外型，尺寸為3mm*3mm*1mm。最大輸出功率為670mW(28.25dBm)， 功率附加效率(PAE)為45%，在同類功放產品中擁有最高等級的性能。該系列放大器內部集成了(i)衰減器：用于改變功放的增益以及降低低輸入功率時的信噪比;(ii)耦合器：用于檢測輸出功率。我們還在衰減電路中增加了相位控制功能，在改變增益時可有效減少相位誤差。
圖1 BA012Fx系列功放的外形尺寸僅為3mm*3mm*1mm。
目前，手機功放通常采用切換通路的方式來提高中低輸出功率下的性能。但是提供通路切換功能的開關電路自身的損耗會降低整個功放的功率附加效率(PAE)。因此BA012Fx系列功放在末級輸出通路上沒有使用任何開關電路，從而實現高輸出功率時高功率附加效率的目的。
圖2為數據卡功放的結構框圖。該功放模塊由兩級放大器和一個位于一級放大器與二級放大器之間的衰減器組成。這樣的結構可以降低在低增益模式下的噪聲系數。使用BiFET(雙極性場效應管)作為衰減器是為了減少芯片的尺寸，因為同一芯片上可以提供FET開關電路。因此芯片尺寸要比使用雙極性晶體管的開關電路小。采用三維電磁分析，使線路布局更加合理。使用了單步衰減電路，如圖3所示。在高增益模式下，FET的SW1開啟，SW2關閉;射頻信號可以直接通過，此時損耗最小。在低增益模式下，FET的SW1關閉SW2開啟，信號通過串聯電阻和并聯電阻后損耗了14dB。為了補償衰減器在開關時的相位變化，加入了串聯電容C1。
圖2：功率放大器架構框圖。
圖3：衰減器電路圖。性能測試結果
根據上述設計描述，我們測試了三菱電機BA012F5(WCDMA Band 5)的性能。調制信號為WCDMA(3GPP-R99)，應用偏置電壓為3.4V 。圖4顯示了放大器的S參數測量結果。增益步長為13dB，當衰減器打開時，相位變化≤10°。兩種模式下的輸入反射損耗(S11)小于-10dBc。
圖4：放大器的S參數測量結果。
圖5顯示了ACLR與輸出功率等級的關系。該放大器的最大輸出功率為28.25dBm，線性增益為27dB，PAE為45%，ACLR為-40dB。相較于傳統(tǒng)的功放，PAE提高了5%左右。
圖5：ACLR與輸出功率等級的關系。
圖6顯示了耦合器的性能(VSWR2.5：1)。耦合系數變化小于0.6dB。BA012Fx系列是針對Band1、Band2、Band3、Band5和Band8開發(fā)設計的。BA012Fx系列所有的功放都滿足PAE=45%，ACLR=-40dBc。
圖6：耦合器的性能(VSWR2.5：1)
本文小結
我們測試了三菱電機專用于數據卡的BA012Fx系列功放，本文對其電路和性能做了介紹。該系列放大器采用了單步衰減電路來控制增益，用相位補償電路來優(yōu)化增益改變時的相位變化。實現了最高等級45%的功率附加效率，比傳統(tǒng)功放提高5%左右。
圖7： 用于手機和數據卡的功放架構框圖。