双频功放在CDMA和WCDMA设备上的应用

 

多频段CDMA和WCDMA手机需要更大的射频设计工作，以提供足够的输出功率并确保线性度和效率在每个频带的正常运作。设计通常包括一个功率放大器和有利每个频段的双工，RF滤波器和开关，以配合多个射频输入至单一的天线。为了降低多频段手机设计的复杂性，ANADIGICS研发了双频CDMA和WCDMA功率放大器模块。通过在单一封装中集成两个功率放大器模块，和之前使用两个单独功率放大器的DC和RF信号线设计相比，可有效减少电路板面积。本文将描述双频功率放大器模块在CDMA/EVDO和WCDMA/HSPA手机设计的典型应用。

本文将侧重于ANADIGICS AWT6221在UMTS第2和第5频段，双频段WCDMA/HSPA的手机设计应用。 ANANDIGICS的AWT6221（见图1）曾荣获由中国产业信息部颁发的信息化应用、通信技术创新优秀成果奖。
 

                                                                                      图1. AWT6221

和一般标准的功率放大器相比，AWT6221双频功率放大器大幅降低平均电流功耗高达75％，并增加高达25％的通话时间。

ANADIGICS的HELP3功放，比如AWT6221功率放大器采用了该公司独有的InGaP - Plus技术，在同一BiFET晶圆片中，集成了HBT及pHEMT设备。通过可选的偏置模式， HELP3功率放大器在低范围和中端输出功率水平中呈现了最佳的效率。智能偏置电路的AWT6221降在低功率水平中可降低电流功耗至8mA。通过集成两个独立的功放链，超迷你AWT6221在这两个频段中提供卓越的性能，并节省印刷电路板面积，见图2。

                                                                                图2. AWT6221参考设计

AWT6221是为双频段WCDMA/HSPA的手机UMTS频段2(824-849MH)和频段5(1850 -1910MHz）而开发的。3GPP技术规范了用户设备第3级的功率,必需达到或超过这些最低性能水平。

• 最大输出功率: +24dBm +1/-3 dBm
• 邻道泄漏功率比(ACLR) +/- 5MHz: -33dBm
• 邻道泄漏功率比(ACLR) +/- 10MHz: -43dBm
• 最大谐波排放指定的频率: 30 – 1000MHz: -36dBm/100kHz之间

ο 在 1 -12.75GHz: -30dBm/1MHz之间
ο 在869 – 894MHz: -60dBm/3.84MHz之间
ο 在 1930-1990MHz: -60dBm/3.84MHz之间
ο 在 2100-2170MHz: -60dBm/3.84MHz之间

大部分CDMA和WCDMA网络的频分双工系统，允许不同的射频频段分配给上行链路（从移动到基站）和下行（从基站到移动）同时间联系。双工器用于移动设备以允许UL和DL利用单一的天线。UMTS频段2中 ，我们选择Avago科技的微型FBAR双工高Q反应的ACMD - 7403。针对Band 5，我们选择Epcos低损耗SAW双工的B - 7663。该参考设计还包括CP402A薄膜功率方向耦合器的耦合AVX,为许多顶级3G芯片组提供所需的射频功率。

AWT6221参考设计的发展起始于功放进一步耦合与双工S参数的测量。在此测量上，零欧姆电阻被用来缩短电路板上的匹配元件，见图3。

S参数描述N端口每一个端口网络反应的的电压信号。第一个数字的下标指的是应对口，而第二个数字指的是事件口。因此S21指信号端1在口2造成的反应。S参数来自行和列数量相等的矩阵口。沿S矩阵对角线的参数被称为反射系数，对角S参数被称为透射系数，因为他们只发生在单一端口。S矩阵的二端口网络见下表：

反射系数（S11）针对频段2和频段5射频路径的频率范围来测试。功率放大器于不符合电路的输出形成一系列的阻抗变化，其结果显示于史密斯表格见图4、图5。

                                                                                 图4. Cell Band: PA output to Antenna Port without Matching

 

 

 

对于任何功率放大器，输出阻抗在运作上有重大影响，并强烈的影响了转移到天线，线性（ ACLR ）和运作效率的功率。像ANADIGICS厂商的功率放大器可帮助工程师做好权衡这些负载牵引信息。最佳输出阻抗会被其他射频链元件特点所影响，如双工器和交换机并不总是50Ω。变异频率双工特征频段内的优势及运作温度，在发展良好的WCDMA射频设计中特别具挑战性，见图6、图7。

 

                                                                                    图5. PCS Band : PA output to Antenna Port with(out) Match

 

 

研发AWT6221参考设计的下一步是匹配双工天线的阻抗，尽量减少在每个频段阻抗的变化频率。虽然简单的二元件从理论上看有超过窄带频率的优良表现，在更广泛的带宽中获得良好的表现，并补偿由于生产的公差和温度的变化，或电压造成的可预期变数，往往需要额外的符合要素。 3元件为两种频带选择的结果显示于史密斯图表。匹配的网络大大降低了在双工下的阻抗变数，从而简化了可符合的其余电路，见图8、图9。
 

                                                                                  图8. Cell Band: PA output to Antenna Port after Duplexer to Antenna optimization
 

                                                                                  图9. PCS Band : PA output to Antenna Port with(out) Match

 

 

研发AWT6221参考设计的再下一步是功率放大器和耦合器+双工之间的配对。再次，针对频带2和频带5，为射频路径的频率范围来测定的反思（S11）见图9-1；最终是要用于制定可符合在WCDMA运作中，每个频段以最小的阻抗变数，优化功率放大器性能要求的网络。与以前一样，3元件网络才能实现良好的效能；结果显示于图10、图11的史密斯图表。
 

 

                                                                                  图10. Cell Band: PA Load optimization
 

                                                                                  图11. PCS Band : PA Load optimization



最终成品参考设计符合WCDMA在频段2和频段5于室温下的要求。此外，该匹配网络在所有预期范围内，仍能保持性能规格的条件下，将变化的频率，温度和电源电压减至最少，见图12、图13。
 

                                                                                  图12. Cell Band ACPR performance Over Temperature and Voltage
 

                                                                                  图13. PCS ACPR performance Over Temperature and Voltage

本文中讨论的参考设计可为新设计的3G手机，数据卡，无线调制解调器和其他的WCDMA/HSPA设备提供有用的起点发展。在研发新的设计时，工程师需要考虑设计的重要功能要求，并考虑改变在这里讨论的匹配网络，以实现在输出功率，线性度，效率和其他射频参数的最佳权衡。审查每个功率放大器的负载牵引，将有助于确定可能不是50Ω的最佳输出阻抗匹配点。这位工程师还必须考虑到每部分变异的射频路径和网络选择，减少天线输出的变数，并且不超过预期的使用温度，频率和电源电压，让所有的射频参数维持于可接受的水平下。最后，功率放大器的控制反射（回波损耗），以避免导致电路中的不稳定或振荡将是重要的。

ANADIGICS的AWT6221是3G手机和数据设备中，双频功率放大器系列中的其中一款。目前ANADIGICS的双频功率放大器产品列出如下，新的设计也正在研发。