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射頻/無線  

一種高效新型WCDMA中繼站的PA方案設計

上網時間: 2011年03月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:WCDMA中繼站,HEPA,類比預失真 

隨著3G技術的發展,系統容量的不斷提高,對系統的線性要求越來越高。功率放大器作為通訊系統的主要非線性單元,其性能的改善在整個系統中的作用至關重要。單純採用用功率回退的方法去滿足線性要求越來越困難,同時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被不斷應用到功率放大器設計中。

目前已商用的線性化技術包括前饋、DPD和類比預失真。其中前饋技術主要的缺點是,誤差迴路不能同時放大有用訊號,導致效率非常低;而DPD技術主要的特點是,透過處理基頻訊號達到預失真的效果,因此需要將射頻訊號先轉化成基頻訊號,處理完成後再還原成射頻訊號與PA的輸出訊號進行合成,完成訊號的校正,其最大的缺點是系統複雜、難以除錯,有效頻寬受限。與以上兩種線性化方法相較較,類比預失真系統結構簡單,容易除錯,效率也可滿足需求,因此已成為現在比較受歡迎的線性化方法。

不過,類比預失真最重要的就是選擇合適的非線性元件,其特性要和LDMOS非常接近,才能類比出PA的非線性特性,最終達到預失真的效果。而這樣的元件選擇需要大量的實驗數據和驗證,這為前期研發帶來很大挑戰。

本文採用Scintera公司內部整合的新型預失真晶片SC1887,配合NXP公司的BLF6G22LS-130,使用Doherty結構,前級推動使用BLM6G22-30G,最終完成WCDMA 30W功率輸出,為中繼站客戶提供了一種針對20W整機的高效、節能解決方案。

SC1887預失真電路構成

與傳統的類比預失真電路相較較,SC1887大幅簡化了預失真電路的結構,減少了週邊零組件的應用,因而使得整個電路更加緊密、更易小型化;同時進一步提升了系統可靠性。建構原理如圖1所示。


圖1 SC1887預失真架構圖

該電路採用了閉環結構,對消效果比傳統的開環結構更優異。該晶片透過調節RFin、RFout和FFFB三個埠與各個巴倫之間的匹配,可以在600MHz到2.8GHz的頻寬內正常工作。本方案採用村田製作所(Murata)的高Q電容器和低差損電感,將三個埠回波控制在18dB以上(該板是採用Isola公司的專用板材IS680設計四層板)。同時可透過SPI和電腦相連,隨時監控其工作狀態,使除錯更加簡捷高效。

具體方案

DXY鼎芯實驗室採用NXP公司的高性能LDMOS,獨立設計出一種實用的Doherty結構,與類比預失真晶片SC1887實現了完美結合。射頻方案中的預推動採用NXP RFSS BGA6589,推動級採用NXP BLM6G22-30G,末級採用NXP BLF6G22LS-130。相較於業界其他廠商的產品,NXP的LDMOS效率高、增益高,在高效率、大功率功率放大器應用方面有著不可替代的優勢。

其中BLF6G22LS-130單管增益可達17dB,飽和效率55%,做成Doherty後增益也有15-16dB,末級6dB回退效率在40%以上。BLM6G22-30G是塑封的整合二級IC管,增益高達28dB,效率高,是做大功率推動級的首選方案。同時為了提高輸出功率,採用研通(Yantel)高頻技術公司最新推出的低插損電橋HC2100A03。

SC1887對RFin、RFFB兩個埠的輸入訊號強度都有一定動態範圍要求。為了與功率放大器更好的配合,在迴路內使用兩個ATT電路,即時調節主通路和反饋通路的增益範圍,確保SC1887在一定的功率輸出動態範圍內有很好的表現。具體電路原理如圖2所示。


圖2 功率放大器原理架構圖。

測試結果分析

測試結果如表1所示。從測試數據可以看出,在Pout=44.7dBm時,對消後ACPR在52dBC以上,可以滿足3GPP頻譜發射模板。效率可以做到27%,比普通回退功率放大器提高10%以上,顯著減少了能耗,遠遠超出廠商的招標要求,符合目前節能環保、綠色低碳的發展需求。


表1 WCDMA單載波測試結果

透過分析以上測試結果可以看出,該方案有如下幾大優勢:

1.效率高:採用Doherty加類比預失真的線性化技術,該方案與普通的HPA相較,效率至少提高10%以上。

2.成本低:功率放大器管在整個功率放大器成本中占主要地位,同樣的功率輸出,該方案比傳統的HPA減少一半的使用量,節省成本。

3.結構簡單,易於除錯:簡化了預失真電路的結構,減少了週邊零組件的應用,使得整個電路更加緊密,提高了整個系統的可靠性和一致性,便於生產除錯。


圖3 2140MHZ 測試結果


圖4 WCDMA30W PA方案測試平台

附錄:功率放大器的非線性失真及傳統類比預失真的實現

功率放大器的非線性失真特性主要由AM-AM失真、AM-PM失真兩個特性來表徵,如圖5所示。


圖5 功率放大器的AM-AM、AM-PM特性示意圖.

為了便於分析,我們忽略功率放大器的記憶效應,將功率放大器的傳輸特性標識為:

Vo(t)=f[Vi(t)] (1)

其中Vi(t)、Vo(t)分別為功率放大器的輸入和輸出電壓。將該式用泰勒級數展開,取前3項,得到式(2):

Vo(t)=k1Vi(t)+k2Vi2(t)+K3Vi3(t) (2)

為簡化分析過程,我們假設輸入為點頻訊號,即Vi=Acosω1t,則輸出訊號為:

Vo(t)=0.5K2A2+(k1A+0.75k3A3)cosω1t+0.5k2A2cos2ω1t

+ 0.25k3A3cos3ω1t (3)

從式3可以看出,由於功率放大器的非線性,輸出訊號中不僅包含有輸入訊號頻率分量,還出現了新的直流分量、二次諧波和三次諧分波量。其中,基分波量的振幅為k1[1+0.75(k3/k1)A2]A,其中k1為線性增益,0.75k3A2是非線性失真。

當k3>0時,k1[1+0.75(k3/k1)A2]>k1 ,此時增益呈現擴張特性;反之,當k3< 0時,k1[1+0.75(k3/k1)A2] 0的增益擴張特性,傳統的預失真器就是要找到這樣的元件來完成預失真效果。

AM-PM失真是指輸出訊號的相位隨輸入訊號幅度的變化而變化。對於一個理想的放大器,它的輸出訊號的相位和輸入訊號的幅度無關。然而,在實際的放大器中,輸入訊號的幅度調變會導致輸出訊號的相位調變,一般用貝塞爾函數表示,如下:


實際顯示,當輸入訊號為小功率訊號時,功率放大器的非線性主要以AM-AM失真為主;而當輸入訊號為大功率訊號時,AM=PM失真較之前者對功率放大器線性的影響更為明顯。

功率放大器的非線性主要是由k3<0產生增益壓縮而產生的。類比預失真的原理就是要找到一個k3>0的元件與功率放大器串聯,使兩者的非線性相互抵銷,使最終功率放大器輸出的訊號保證在線性狀態下。其原理如圖6所示。


圖6 預失真原理架構圖.

為了保證足夠的對消效果,一般預失真都採用雙環結構,其架構圖如圖7所示。


圖7 類比預失真架構圖.

其中通路III、IV構成預失真產生迴路,合路後經通路V透過必要的衰減和移相再與通路I的主訊號合成最終完成預失真的效果。一般通路IV上的IM3產生器的元件選擇都比較嚴格。

整個電路需要IV、V兩個通路同時嚴格的調整衰減和相位,結構比較複雜,除錯難度也很高。

陳少軼,李福明

DXY鼎芯實驗室





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