新型WCDMA直放站PA的設(shè)計(jì)方案

隨著3G技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)容量的不斷提升，對(duì)通信系統(tǒng)的線性要求越來(lái)越高。功放作為通信系統(tǒng)的主要非線性單元，其性能的改善對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的作用至關(guān)重要。傳統(tǒng)的功率回退方法已難以滿足日益增長(zhǎng)的線性與效率要求，因此，高效、線性的功放設(shè)計(jì)方案成為研究熱點(diǎn)。本文將詳細(xì)介紹一種采用Scintera公司新型預(yù)失真芯片SC1887與NXP公司高性能LDMOS器件的高效新型WCDMA直放站PA設(shè)計(jì)方案。

一、方案設(shè)計(jì)背景

隨著3G技術(shù)的廣泛應(yīng)用，WCDMA系統(tǒng)作為3G主流技術(shù)之一，對(duì)基站的線性要求越來(lái)越高。功放作為通信系統(tǒng)中的主要非線性單元，其非線性失真特性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真和頻譜擴(kuò)展，影響系統(tǒng)的整體性能。為了改善功放的線性度，目前已商用的線性化技術(shù)包括前饋、數(shù)字預(yù)失真（DPD）和模擬預(yù)失真。前饋技術(shù)的主要缺點(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；DPD技術(shù)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，系統(tǒng)復(fù)雜且難以調(diào)試，有效帶寬受限。相比之下，模擬預(yù)失真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易調(diào)試且效率較高，因此成為當(dāng)前比較受歡迎的線性化方法。

二、方案設(shè)計(jì)原理

模擬預(yù)失真的核心在于選擇合適的非線性器件，其特性要與功放中的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。然而，選擇合適的非線性器件需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證，給前期研發(fā)帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。

2.1 預(yù)失真芯片SC1887

Scintera公司的SC1887是一款內(nèi)部集成的新型預(yù)失真芯片，它大幅簡(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，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。SC1887采用了閉環(huán)結(jié)構(gòu)，對(duì)消效果比傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)更優(yōu)異。該芯片通過(guò)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。

2.2 Doherty結(jié)構(gòu)

Doherty結(jié)構(gòu)是一種高效的功率合成技術(shù)，通過(guò)將兩個(gè)或多個(gè)功放單元的輸出功率進(jìn)行合成，提高整體效率和輸出功率。本方案采用Doherty結(jié)構(gòu)，前級(jí)推動(dòng)使用NXP的BLM6G22-30G，末級(jí)使用NXP的BLF6G22LS-130，最終完成WCDMA 30W功率輸出。

三、主控芯片型號(hào)及作用

3.1 SC1887預(yù)失真芯片

型號(hào)： Scintera SC1887

作用：

1. 預(yù)失真處理：SC1887作為預(yù)失真芯片，能夠模擬功放的非線性特性，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的預(yù)失真處理，從而改善功放的線性度。

2. 閉環(huán)結(jié)構(gòu)：采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，對(duì)消效果優(yōu)異，能夠顯著提高系統(tǒng)的線性度和穩(wěn)定性。

3. 端口匹配：通過(guò)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，滿足寬帶應(yīng)用需求。

4. 簡(jiǎn)化電路：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，使得整個(gè)電路更加緊湊、更易小型化，同時(shí)提升了系統(tǒng)可靠性。

3.2 NXP BLF6G22LS-130

型號(hào)： NXP BLF6G22LS-130

作用：

1. 末級(jí)功放：作為Doherty結(jié)構(gòu)的末級(jí)功放，BLF6G22LS-130具有高效率和高增益，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。

2. 高性能LDMOS：NXP的BLF6G22LS-130是一款高性能LDMOS器件，具有高效率和增益，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)。

3.3 NXP BLM6G22-30G

型號(hào)： NXP BLM6G22-30G

作用：

1. 前級(jí)推動(dòng)：作為Doherty結(jié)構(gòu)的前級(jí)推動(dòng)，BLM6G22-30G是一款塑封的集成二級(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。

2. 功率合成：通過(guò)Doherty結(jié)構(gòu)與BLF6G22LS-130進(jìn)行功率合成，提高整體效率和輸出功率。

3.4 其他關(guān)鍵器件

• NXP RFSS BGA6589：射頻方案中的預(yù)推動(dòng)采用NXP RFSS BGA6589，用于提供穩(wěn)定的射頻信號(hào)輸入。

• 村田制作所高Q電容和低差損電感：采用村田制作所的高Q電容和低差損電感，將三個(gè)端口回波控制在18dB以上，提高電路的穩(wěn)定性和性能。

• 研通（Yantel）低插損電橋HC2100A03：為了提高輸出功率，采用研通高頻技術(shù)公司最新推出的低插損電橋HC2100A03，降低信號(hào)傳輸過(guò)程中的損耗。

四、具體實(shí)現(xiàn)方案

4.1 Doherty結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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。

4.2 預(yù)失真電路實(shí)現(xiàn)

SC1887預(yù)失真電路通過(guò)調(diào)節(jié)RFin、RFout和FFFB三個(gè)端口與各個(gè)巴倫之間的匹配，在600MHz到2.8GHz的帶寬內(nèi)正常工作。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)。

4.3 電路調(diào)試與監(jiān)控

本方案可通過(guò)SPI和計(jì)算機(jī)相連，隨時(shí)監(jiān)控SC1887的工作狀態(tài)，使調(diào)試更加簡(jiǎn)捷高效。同時(shí)，采用村田制作所的高Q電容和低差損電感，將三個(gè)端口回波控制在18dB以上，提高了電路的穩(wěn)定性和性能。

五、測(cè)試結(jié)果與分析

5.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在Pout=44.7dBm時(shí)，對(duì)消后ACPR在52dBC以上，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，顯著減少了能耗，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。

5.2 測(cè)試平臺(tái)

WCDMA 30W PA方案測(cè)試平臺(tái)包括信號(hào)源、功率計(jì)、頻譜分析儀等測(cè)試設(shè)備，用于對(duì)功放進(jìn)行性能測(cè)試和驗(yàn)證。

5.3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果，可以看出該方案具有以下幾大優(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HPA相比，效率至少提高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，該方案比傳統(tǒng)的HPA減少一半的使用量，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應(yīng)用，使得整個(gè)電路更加緊湊，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。

六、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(lái)表征。AM-AM失真是指輸出信號(hào)的幅度隨輸入信號(hào)幅度的變化而變化，AM-PM失真是指輸出信號(hào)的相位隨輸入信號(hào)幅度的變化而變化。

模擬預(yù)失真的原理就是要找到一個(gè)與功放非線性特性相反的非線性器件，與功放串聯(lián)，使兩者的非線性相互抵消，使最終功放輸出的信號(hào)保證在線性狀態(tài)下。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)，通過(guò)調(diào)節(jié)衰減和移相，使預(yù)失真信號(hào)與功放輸出信號(hào)進(jìn)行合成，達(dá)到線性化的效果。

七、結(jié)論

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和BLM6G22-30G，使用Doherty結(jié)構(gòu)，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。該方案具有效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足當(dāng)前通信系統(tǒng)對(duì)線性度和效率的高要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。