一種高效新型WCDMA直放站PA方案的設計與實現(xiàn)

隨著3G技術的發(fā)展，系統(tǒng)容量的不斷提高，對系統(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系統(tǒng)中的作用至關重要。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放設計中。

目前已商用的線性化技術包括前饋、DPD和模擬預失真。其中前饋技術主要的缺點是，誤差環(huán)路不能同時放大有用信號，導致效率非常低；而DPD技術主要的特點是，通過處理基帶信號達到預失真的效果，因此需要將射頻信號先轉化成基帶信號，處理完成后再還原成射頻信號與PA的輸出信號進行合成，完成信號的校正，其最大的缺點是系統(tǒng)復雜、難以調試，有效帶寬受限。與以上兩種線性化手段相比較，模擬預失真系統(tǒng)結構簡單，容易調試，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，最終達到預失真的效果。而這樣的器件選擇需要大量的實驗數(shù)據(jù)和驗證，這給前期研發(fā)帶來很大挑戰(zhàn)。

本文采用Scintera公司內部集成的新型預失真芯片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，為直放站客戶提供了一種針對20W整機的高效、節(jié)能的解決方案。

SC1887預失真電路構成

與傳統(tǒng)的模擬預失真電路相比較，SC1887大幅簡化了預失真電路的結構，減少了外圍元器件的應用，從而使得整個電路更加緊湊、更易小型化；同時進一步提升了系統(tǒng)可靠性。實現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 SC1887預失真實現(xiàn)框圖

該電路采用了閉環(huán)結構，對消效果比傳統(tǒng)的開環(huán)結構更優(yōu)異。該芯片通過調節(jié)RFin、RFout和FFFB三個端口與各個巴倫之間的匹配，可以在600MHz到2.8GHz的帶寬內正常工作。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設計的四層板）。同時可通過SPI和計算機相連，隨時監(jiān)控其工作狀態(tài)，使調試更加簡捷高效。

具體實現(xiàn)方案

DXY鼎芯實驗室采用NXP公司的高性能LDMOS，獨立設計出一種實用的Doherty結構，與模擬預失真芯片SC1887實現(xiàn)了完美結合。射頻方案中的預推動采用NXP RFSS BGA6589，推動級采用NXP BLM6G22-30G，末級采用NXP BLF6G22LS-130。相比于業(yè)內其他廠家的產品，NXP的LDMOS效率高、增益高，在高效率、大功率功放應用方面有著不可替代的優(yōu)勢。

其中BLF6G22LS-130單管增益可達17dB，飽和效率55%，做成Doherty后增益也有15-16dB，末級6dB回退效率在40%以上。BLM6G22-30G是塑封的集成二級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，采用研通（Yantel）高頻技術公司最新推出的低插損電橋HC2100A03。

SC1887對RFin、RFFB兩個端口的輸入信號強度都有一定動態(tài)范圍要求。為了與功放更好的配合，在環(huán)路內使用兩個ATT電路，實時調節(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態(tài)范圍內有很好的表現(xiàn)。具體實現(xiàn)電路原理如圖2所示。

圖2 功放原理框圖

測試結果分析

測試結果如表1所示。從測試數(shù)據(jù)可以看出，在Pout=44.7dBm時，對消后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，遠遠超出運營商的招標要求，符合當今節(jié)能環(huán)保、綠色低碳的發(fā)展需求。

表1 WCDMA單載波測試結果

通過分析以上測試結果可以看出，該方案有如下幾大優(yōu)勢：

1.效率高：采用Doherty加模擬預失真的線性化技術，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.結構簡單，易于調試：簡化了預失真電路的結構，減少了外圍元器件的應用，使得整個電路更加緊湊，提高了整個系統(tǒng)的可靠性和一致性，便于生產調試。

圖3 2140MHZ 測試結果

圖4 WCDMA30W PA方案測試平臺

附錄：功放的非線性失真及傳統(tǒng)模擬預失真的實現(xiàn)

功放的非線性失真特性主要由AM-AM失真、AM-PM失真兩個特性來表征，如圖5所示。

圖5 功放的AM-AM、AM-PM特性示意圖

為了便于分析，我們忽略功放的記憶效應，將功放的傳輸特性標識為：

其中Vi（t）、Vo（t）分別為功放的輸入和輸出電壓。將該式用泰勒級數(shù)展開，取前3項，得到式（2）：

為簡化分析過程，我們假設輸入為點頻信號，即Vi=Acosω1t，則輸出信號為：

從式3可以看出，由于功放的非線性，輸出信號中不僅包含有輸入信號頻率分量，還出現(xiàn)了新的直流分量、二次諧波和三次諧波分量。其中，基波分量的振幅為其中k1為線性增益，是非線性失真。

當k3》0時，》K1，此時增益呈現(xiàn)擴張?zhí)匦?；反之，當k3 0時，k1 ，此時增益呈現(xiàn)壓縮特性。大部分非線性器件（包括LDMOS），其k3 0，隨著輸入功率的升高會出現(xiàn)增益壓縮現(xiàn)象，這就是AM-AM失真。有些非線性器件在特定的偏置狀態(tài)下會出現(xiàn)k3》0的增益擴張?zhí)匦?，傳統(tǒng)的預失真器就是要找到這樣的器件來完成預失真效果。

AM-PM失真是指輸出信號的相位隨輸入信號幅度的變化而變化。對于一個理想的放大器，它的輸出信號的相位和輸入信號的幅度無關。然而，在實際的放大器中，輸入信號的幅度調制會導致輸出信號的相位調制，一般用貝塞爾函數(shù)表示，如下：

實際表明，當輸入信號為小功率信號時，功放的非線性主要以AM-AM失真為主；而當輸入信號為大功率信號時，ＡＭ－ＰＭ失真較之前者對功放線性的影響更為明顯。

功放的非線性主要是由k30產生增益壓縮而產生的。模擬預失真的原理就是要找到一個k3》0的器件與功放串聯(lián)，使兩者的非線性相互抵消，使最終功放輸出的信號保證在線性狀態(tài)下。其原理如圖6所示。

圖6 預失真原理框圖

為了保證足夠的對消效果，一般預失真都采用雙環(huán)結構，其實現(xiàn)框圖如圖7所示。

圖7 模擬預失真實現(xiàn)框圖

其中通路III、IV構成預失真產生環(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的主信號合成最終完成預失真的效果。一般通路IV上的IM3產生器的器件選擇都比較嚴格。整個電路需要IV、V兩個通路同時嚴格的調整衰減和相位，結構比較復雜，調試難度也很高。