設(shè)計(jì)射頻功率放大器模塊有什么訣竅?
發(fā)布時(shí)間:2019-07-11 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】隨著現(xiàn)代數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展,用戶對(duì)無(wú)線通信設(shè)備的性能要求越來(lái)越高,實(shí)現(xiàn)在各種環(huán)境中的穩(wěn)定、高速的數(shù)據(jù)傳輸是未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)研究者的主要目標(biāo)之一。
隨著現(xiàn)代數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展,用戶對(duì)無(wú)線通信設(shè)備的性能要求越來(lái)越高,實(shí)現(xiàn)在各種環(huán)境中的穩(wěn)定、高速的數(shù)據(jù)傳輸是未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)研究者的主要目標(biāo)之一。射頻功率放大器是發(fā)射機(jī)的末級(jí),它將已調(diào)制的頻帶信號(hào)放大到所需要的功率,保證在覆蓋區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以收到滿意的信號(hào)電平,但不能過(guò)于干擾相鄰信道的通信,同時(shí)又要盡量地保持放大后的大功率信號(hào)不失真畸變。這些不同方面的要求使得功率放大器的設(shè)計(jì)者要面面俱到地考慮到很多指標(biāo)的平衡,功率放大器的設(shè)計(jì)也成為無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟之一。
基本概念
射頻功率放大器(RF PA)是發(fā)射系統(tǒng)中的主要部分,其重要性不言而喻。在發(fā)射機(jī)的前級(jí)電路中,調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號(hào)功率很小,需要經(jīng)過(guò)一系列的放大(緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí))獲得足夠的射頻功率以后,才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率,必須采用射頻功率放大器。在調(diào)制器產(chǎn)生射頻信號(hào)后,射頻已調(diào)信號(hào)就由RF PA將它放大到足夠功率,經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò),再由天線發(fā)射出去。
放大器的功能,即將輸入的內(nèi)容加以放大并輸出。輸入和輸出的內(nèi)容,我們稱之為“信號(hào)”,往往表示為電壓或功率。對(duì)于放大器這樣一個(gè)“系統(tǒng)”來(lái)說(shuō),它的“貢 獻(xiàn)”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平,并向外界“輸出”。如果放大器能夠有好的性能,那么它就可以貢獻(xiàn)更多,這才體現(xiàn)出它自身的“價(jià)值”。如果放大器存在著一定的問(wèn)題,那么在開(kāi)始工作或者工作了一段時(shí)間之后,不但不能再提供任 何“貢獻(xiàn)”,反而有可能出現(xiàn)一些不期然的“震蕩”,這種“震蕩”對(duì)于外界還是放大器自身,都是災(zāi)難性的。
射頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率,如何提高輸出功率和效率,是射頻功率放大器設(shè)計(jì)目標(biāo)的核心。通常在射頻功率放大器中,可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波,實(shí)現(xiàn)不失真放大。除此之外,輸出中的諧波分量還應(yīng)該盡可能地小,以避免對(duì)其他頻道產(chǎn)生干擾。
射頻功率放大器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
功率放大器設(shè)計(jì)中的兩個(gè)重要問(wèn)題
電路設(shè)計(jì)中的電磁兼容(EMC)措施
射頻電路工作在很高的頻率上,在元件引腳或者電路引線上會(huì)產(chǎn)生一定的寄生參量。而射頻功率放大器中,在高功率、大電流的環(huán)境下,寄生參量對(duì)于系統(tǒng)的影響大大增加,另外,引線電感及走線電感等又是引起高頻輻射干擾的重要因素,這些功率不小的電磁干擾(EMI)可能會(huì)使功率放大器本身、電源部分或者系統(tǒng)的其他部分的性能大幅下降,很多情況下會(huì)直接影響系統(tǒng)的多項(xiàng)主要指標(biāo)。
為了盡可能減小電磁干擾的影響,需要在電路設(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)中采取電磁兼容(EMC)措施,這樣做也能有效地減少后期調(diào)試工作量,增加產(chǎn)品的可靠性和一致性,提高產(chǎn)品性能。
我們?cè)诠こ讨胁扇〉拇胧┲饕校弘娫淳€應(yīng)盡量粗,器件電源或偏置網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)該多加去耦電容和扼流電感,并選用高頻性能好的器件,從而增加電源的穩(wěn)定性,減少電源波動(dòng)對(duì)于器件的影響;PCB設(shè)計(jì)要合理布局,功率放大器部分應(yīng)該與其他低功率或者數(shù)字部分盡量遠(yuǎn)離,并在中間加裝金屬隔條、屏蔽罩或微波吸附材料,避免功率放大器與其他部分的相互輻射干擾;PCB設(shè)計(jì)中,在無(wú)元件、線路經(jīng)過(guò)的位置多加保護(hù)地,并多加金屬化通孔造成多點(diǎn)接地;射頻走線盡量短,嚴(yán)格控制線頭、引腳長(zhǎng)度,匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量靠近需要匹配的器件,等等。實(shí)踐證明,這些措施都能夠很好地減少電磁干擾,改善電路性能。
功率放大器的線性化
線性度是射頻功率放大器的一個(gè)非常重要的指標(biāo),在移動(dòng)通信設(shè)備中,功率放大器的非線性失真往往會(huì)造成信號(hào)畸變失真以及引起鄰道干擾。所以,移動(dòng)通信設(shè)備對(duì)功率放大器的線性度提出了很高的要求。
功率放大器非線性失真特性主要有兩種:第一種為非線性的增益特性,即輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的功率之間不是線性關(guān)系,對(duì)應(yīng)于單頻信號(hào)的輸入,將會(huì)產(chǎn)生諧波失真;而對(duì)于雙頻信號(hào)的輸入,除諧波外,還會(huì)產(chǎn)生交調(diào)分量,引起交調(diào)失真;另一種為非線性的相移特性,即輸入輸出的相位差隨功率不同而改變,結(jié)果會(huì)產(chǎn)生調(diào)幅/調(diào)相(AM/PM)效應(yīng)。這兩種非線性對(duì)于采用非恒包絡(luò)調(diào)制方式的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng),不但會(huì)產(chǎn)生帶內(nèi)失真,還會(huì)產(chǎn)生帶外頻率擴(kuò)展,引起對(duì)鄰近信道的干擾。
一般對(duì)功率放大器的線性度的衡量有諧波抑制度、三階交調(diào)抑制度等指標(biāo):當(dāng)放大器輸入載波頻率為f0的單頻信號(hào)時(shí),由于器件的非線性失真,會(huì)產(chǎn)生頻率為mf0(m為自然數(shù))的諧波,如圖1(a)所示,諧波輸出功率與基波輸出功率之差即為諧波抑制度;當(dāng)放大器輸入頻率間隔不大、載波頻率分別為f1和f2的信號(hào)時(shí),在放大器輸出端除了載波頻率為f1和f2的信號(hào)外,還形成了頻率為±mf1±nf2(m、n均為自然數(shù))的交調(diào)產(chǎn)物,如圖1(b)所示,其中頻率為2f1-f2和2f2-f1的兩個(gè)頻率分量功率最大,稱為三階交調(diào)產(chǎn)物,三階交調(diào)產(chǎn)物與輸出載波的功率之差即為功率放大器的三階交調(diào)抑制度。三階交調(diào)產(chǎn)物頻率非??拷玫妮d頻f1和f2,一般無(wú)法通過(guò)濾波等方式消除,只能在放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程中加以改善。因此,抑制三階交調(diào)產(chǎn)物,提高三階交調(diào)抑制度是提高功率放大器線性度的重點(diǎn)。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于射頻功率放大器的線性化技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作,研究熱點(diǎn)主要集中在前饋法、預(yù)失真法、負(fù)反饋法等幾種新技術(shù)上。隨著DSP、FPGA等技術(shù)的快速發(fā)展,這幾種功放線性化技術(shù)必將逐漸完善、普及而成為未來(lái)的發(fā)展方向,但由于目前成本和技術(shù)的原因,應(yīng)用尚不廣泛,鑒于篇幅在此就不作詳述。在實(shí)際工程中,功率回退法這種簡(jiǎn)單有效的技術(shù)一直有著十分廣泛的應(yīng)用,下文提到的GSM直放站功率放大器模塊就采用了功率回退法來(lái)改善線性度。
功率回退法即選用功率較大的放大管作小功率用途,犧牲直流功耗來(lái)提高功放的線性度,具體來(lái)說(shuō)就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點(diǎn)向后回退一些,工作在遠(yuǎn)小于1dB壓縮點(diǎn)的功率上,使功率放大器脫離飽和區(qū),進(jìn)入線性工作區(qū),從而改善放大器的線性度。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單易行,不需要增加任何附加設(shè)備,且可靠性高;其缺點(diǎn)是功率放大器的效率因此有所降低,器件成本提高,且對(duì)線性度的改善程度也比較有限。因此,在線性度要求很高的場(chǎng)合,完全依靠功率回退是不夠的,必須與其他線性化措施結(jié)合起來(lái),在線性度要求稍低的應(yīng)用中,功率回退法是一種較為合適的線性化措施。
GSM直放站功率放大器模塊設(shè)計(jì)實(shí)例
一般在工程中,功率放大器模塊的設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)在于匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)??紤]指標(biāo)要求及成本,決定放大級(jí)數(shù)、每級(jí)的增益分配及所采用的器件,之后分別設(shè)計(jì)每一級(jí)的匹配電路、電源、級(jí)間匹配等細(xì)節(jié),最后用CAD工具仿真、設(shè)計(jì)印制電路版,是我們通常采取的設(shè)計(jì)流程。
(2) 根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),該功率放大器模塊整體功率增益為55dB,輸出功率為39dBm。一般情況下,多數(shù)廠家提供的場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)的放大器增益不超過(guò)20dB,常用的集成功率放大芯片的功率增益也在30dB左右,加上設(shè)計(jì)中應(yīng)留出的余量,我們決定采用三級(jí)放大的結(jié)構(gòu)。
(3) 第一級(jí)放大器選用Gali-5單片放大器,Gali系列封裝體積小,匹配網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單方便,可靠性高,器件的線性度很好,它可以提供19dB左右的功率增益;第二級(jí)選用MHL9838集成功率放大芯片,該芯片內(nèi)部集成了匹配網(wǎng)絡(luò),因此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便,可靠性也非常高,用做推動(dòng)放大級(jí)性能十分理想,該模塊可以提供31dB左右的功率增益。
整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于末級(jí)放大。末級(jí)放大器由于輸入功率很大,其非線性度對(duì)于信號(hào)的影響是巨大的。在這個(gè)多級(jí)功放模塊中,由于前兩級(jí)可靠性高,最后一級(jí)的性能對(duì)于系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。實(shí)際上,移動(dòng)通信系統(tǒng)中非線性放大器對(duì)發(fā)射信號(hào)的影響,與調(diào)制方式密切相關(guān),GSM制式采用GMSK調(diào)制方式,是一種恒定包絡(luò)的調(diào)制方式,對(duì)于線性度的要求較采用CDMA制式的系統(tǒng)低一些,用功率回退法這種線性化技術(shù)可以滿足指標(biāo)要求。綜合考慮之后,選用Freescale公司的MRF9060L功率放大管,它可以提供17dB功率增益、60W(略大于47dBm)的輸出功率以及此輸出功率下-31dBc的三階交調(diào)抑制度,采用功率回退之后,三階交調(diào)抑制度可以符合指標(biāo)需求。
三級(jí)放大器級(jí)聯(lián)得到的功率增益約67dB左右,為達(dá)到55dB的指標(biāo)要求,在第一級(jí)放大器之前采用π型衰減器對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減。π型衰減器是由三個(gè)電阻組成的衰減器,性能可靠,設(shè)計(jì)調(diào)試十分簡(jiǎn)單,而且能夠非常有效的吸收后級(jí)電路的反射波,可以改善級(jí)間匹配和電路駐波比,在射頻電路中應(yīng)用十分廣泛。這里把它放在第一級(jí)之前,配合隔離器可以得到很好的輸入駐波比。
最后設(shè)計(jì)模塊電路原理圖如下圖2:
圖2 GSM直放站功率放大器模塊電路原理圖
(4) 原理圖設(shè)計(jì)完成后,就可以根據(jù)原理圖進(jìn)行印制電路版圖的設(shè)計(jì),之后組裝出樣機(jī)。樣機(jī)調(diào)試完成后,使用射頻儀器實(shí)測(cè)主要指標(biāo)如下:
表2 GSM直放站功率放大器模塊樣機(jī)主要指標(biāo)測(cè)試結(jié)果
使用頻譜儀實(shí)測(cè)其三階交調(diào)抑制度和帶內(nèi)波動(dòng)的顯示結(jié)果如圖3。從圖上可以看到,該功率放大器樣機(jī)的三階交調(diào)抑制度達(dá)到-48.47dBc,帶內(nèi)波動(dòng)為0.389dB。均大大好于最初設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,取得了非常滿意的性能。
在射頻功率放大器的設(shè)計(jì)中,電磁兼容和線性化是設(shè)計(jì)者應(yīng)予以重視的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,本文對(duì)于這兩個(gè)問(wèn)題的原理和具體實(shí)現(xiàn)措施進(jìn)行了探討,并詳細(xì)分析了GSM直放站功率放大器模塊這個(gè)工程實(shí)例的具體設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)樣機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)果證明,文中的論述方法是具體可行的,可供射頻功率放大器設(shè)計(jì)工程師作為參考。
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