一種雙向射頻功率放大器設(shè)計

何蘇勤，熊 俊，王 穎

(北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種各樣的無線通信設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，例如手機(jī)、雷達(dá)、GPS等。無線通信應(yīng)用中的一項重要指標(biāo)是覆蓋范圍，當(dāng)通信雙方的距離超出覆蓋半徑時，無線通信的可靠性將無法得到保障。為此，一般可通過間接引入更多蜂窩和微蜂窩等中繼網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，或者直接提高設(shè)備(包括基站、UE)發(fā)射功率來擴(kuò)大通信覆蓋距離[1]。前者價格昂貴、復(fù)雜度高，適合組網(wǎng)通信；后者實現(xiàn)成本和難度相對較小，且使用靈活方便，適用于可攜帶或者車載等移動通信業(yè)務(wù)[2-3]。本文提出一種雙向射頻功率放大電路的設(shè)計方法，可以彌補集成射頻芯片前端發(fā)射功率較小和接收信號靈敏度較低等缺陷，有效提高發(fā)射信號的功率和接收信號的質(zhì)量，并能夠進(jìn)行TDD系統(tǒng)收發(fā)自動切換。

1 雙向射頻功率放大器概述

雙向射頻功率放大器整體框圖如圖1所示。主要由發(fā)射電路、接收電路和收發(fā)切換電路組成，其中收發(fā)切換電路包括定向耦合器、功率檢測、電平轉(zhuǎn)換和2路單刀雙擲開關(guān)。射頻前端輸入的信號經(jīng)定向耦合器送往發(fā)射電路，經(jīng)過小信號放大器、驅(qū)動放大器和末級功放電路，最終通過天線轉(zhuǎn)換成電磁波信號發(fā)射出去。接收電路的功能主要是將天線接收到的微弱電磁波信號轉(zhuǎn)換成電信號[4]，并經(jīng)過低噪聲系數(shù)(NF，noise figure)放大器，放大輸出后經(jīng)定向耦合器到射頻前端進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。收發(fā)切換電路主要將射頻前端發(fā)射時的耦合功率經(jīng)過功率檢測電路之后輸出線性直流電壓[5]，然后通過電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)成控制電平1和控制電平2，分別控制2路單刀雙擲開關(guān)(SPDT)通與斷，以實現(xiàn)收發(fā)切換。

圖1 雙向功率放大器結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計方法：首先根據(jù)雙向射頻放大器的性能和功能要求選擇合適的芯片；然后利用安捷倫ADS2009軟件中的S參數(shù)模型分析得出芯片的最佳源阻抗和最佳負(fù)載阻抗，并借助Smith圓圖設(shè)計源端和負(fù)載端的阻抗匹配電路[6]；最后，加上偏置電路及匹配電路對整個電路仿真優(yōu)化，以實現(xiàn)預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。

阻抗匹配的核心目標(biāo)是減小有害反射以增加功率流容量，對于放大器設(shè)計而言，主要包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)(IMN)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)(OMN)。圖2是一個常規(guī)的輸入匹配和輸出匹配的單級放大器結(jié)構(gòu)。在利用Smith圓圖設(shè)計匹配電路時，有多種匹配結(jié)構(gòu)可選，選擇依據(jù)為復(fù)雜度、帶寬、頻率響應(yīng)和易于實現(xiàn)性等多種因素[7]。本文正是基于圖2所示的基本結(jié)構(gòu)對每級放大電路進(jìn)行分析并仿真。

圖2 單級放大器結(jié)構(gòu)

2.1 發(fā)射電路

要求射頻前端輸入信號頻率為450～470MHz，功率0dBm，最終發(fā)射輸出功率為5W(37dBm)。考慮到實際微帶電路的損耗和天線處SMA接口的損耗約1dB，因此在保證輸出功率37dBm情況下，發(fā)射電路的增益必須大于38dB。

小信號放大器和驅(qū)動放大器作為前級放大模塊，必須保證信號處于線性范圍，即放大之后信號輸出不能超過芯片輸出1dB壓縮點[8]。末級功放作為發(fā)射鏈路末端，其核心任務(wù)是放大前級輸出信號并穩(wěn)定輸出37dBm的信號。因此基于放大器的不同功能和任務(wù)，本文選擇Mini Circuit公司的ERA-5SM+、Triquint公司的AH102以及Renesas公司的RQA0009三款芯片級聯(lián)的方案來滿足發(fā)射鏈路的指標(biāo)要求。

小信號放大電路的核心是一款單片微波集成芯片ERA-5SM+，它支持頻帶0～4GHz，增益約20dB，出廠內(nèi)匹配為50Ω，因此源端口和負(fù)載端口加隔直電容后，可直接經(jīng)過特性阻抗為50Ω的微帶傳輸線傳輸射頻信號。

驅(qū)動放大電路的核心采用一款功率增益芯片AH102，其P1 dB為27dBm，增益約13dB，工作在460MHz時，其輸入阻抗為(42.21～j17.7)Ω。該芯片的外圍配置電路需借助Smith圓圖進(jìn)行源端阻抗匹配，利用高Q值電感和電容搭建匹配網(wǎng)絡(luò)，將阻抗匹配到50Ω。

末級功放選用一款N溝道的MOSFET功放芯片RQA0009，在漏極靜態(tài)電壓/電流為7V/200mA時，最大輸出功率可達(dá)38dBm。與AH102類似，為防止因阻抗不匹配造成信號反射、駐波過大導(dǎo)致芯片自激燒毀芯片，RQA0009需要外部匹配電路才能完成最大功率傳輸。

下面以RQA0009芯片為例，介紹利用ADS2009軟件來完成輸入和輸出匹配電路的匹配過程：首先根據(jù)放大器的靜態(tài)點確定其工作狀態(tài)，然后利用ADS2009中的放大器設(shè)計模板得到最佳源阻抗Zs和最佳負(fù)載阻抗ZL，最后利用Smith圓圖分別完成源端阻抗匹配和負(fù)載端阻抗匹配[9]。圖3和圖4分別展示了源端和負(fù)載端的阻抗匹配過程。

圖3 源端阻抗匹配過程(電感+電容)

從圖3可以看到，源端采用高Q值的電感加電容匹配結(jié)構(gòu)，而圖4中的負(fù)載端采用微帶傳輸線加電容的結(jié)構(gòu)[10]，這是因為RQA0009是末級放大芯片，其輸出匹配電路的損耗要小，由于電感存在串聯(lián)分布電阻，要吸收部分射頻信號，因此在末級功放的輸出級匹配中采用微帶結(jié)構(gòu)，其高頻損耗小，更適合大功率傳輸。結(jié)合輸入匹配和輸出匹配電路，以RQA0009芯片為核心的末級功放電路如圖5所示。

圖4 負(fù)載端阻抗匹配過程(微帶+電容)

圖5 末級功放電路圖

2.2 接收電路

由于在遠(yuǎn)距離傳輸路徑上的損耗和多徑效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)生各種信道衰落，在接收天線處，信號能量很微弱且一直變化，并伴隨著各種噪聲干擾，信噪比下降。接收電路最重要的指標(biāo)是接收靈敏度[11]，其定義公式如下：

因此在帶寬固定情況下，接收鏈路的核心任務(wù)是在滿足射頻前端所需最小解調(diào)門限情況下，盡可能降低鏈路的噪聲系數(shù)，從而提高系統(tǒng)接收靈敏度。

接收電路的低噪聲放大器選擇RFMD公司的微波單片集成芯片SPF5043Z，其在460MHz處增益約20dB，其超低的噪聲系數(shù)和高線性特性符合高動態(tài)接收機(jī)的設(shè)計要求。由于其源端口和負(fù)載端口阻抗已內(nèi)匹配，因此與上文中的小信號放大器設(shè)計類似，無需外部匹配，可直接經(jīng)特性阻抗為50Ω的微帶傳輸線傳輸射頻信號。

2.3 收發(fā)切換電路

系統(tǒng)處于發(fā)射狀態(tài)時，射頻前端的輸出信號經(jīng)過定向耦合器耦合出很微弱的射頻信號，經(jīng)高動態(tài)范圍的射頻功率檢測電路檢波輸出0.5～1.8V線性直流電壓[13]，然后利用三極管(PMBT2222)和場效應(yīng)管(AO3414)的開關(guān)特性，把線性直流驅(qū)動成5V邏輯高低電平，用來控制單刀雙擲開關(guān)SPDT導(dǎo)通與閉合。

SPDT選擇Hittite公司的HMC546MS8G，能夠支持最大10W的發(fā)射功率，其低雜散、低延時以及高線性，適用于各種TDD系統(tǒng)。當(dāng)芯片HMC546MS8G的控制管腳Vctl為高電平輸入時，RFC與TX管腳連通；反之，當(dāng)Vctl為低電平輸入時，RFC與RX連通。

收發(fā)轉(zhuǎn)換電路如圖6所示：當(dāng)系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時，無耦合信號，檢波輸出電壓為0，此時BJT處于截止?fàn)顟B(tài)，MOSFET-P的柵極電壓是高電平(5V)，MOS處于截止?fàn)顟B(tài)，此時邏輯輸出為低電平(0V)；反之，當(dāng)射頻前端輸出信號時，耦合器耦合出微弱信號，檢波輸出直流電壓，BJT導(dǎo)通，MOSFET-P的柵極電壓是低電平(0V)，PMOS導(dǎo)通，此時輸出邏輯為高電平(5V)，該輸出電平作為HMC546MS8G芯片Vctl引腳的輸入電平，控制收發(fā)的切換。

3 測試結(jié)果及分析

根據(jù)上述的分析，完成了雙向功率放大器的原理圖、印刷電路板的設(shè)計和制板焊接工作，然后對其各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試。主要調(diào)試儀器：網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C、頻譜分析儀2399B、射頻信號源2023A和直流穩(wěn)壓電源等。

圖7主要測試功率放大器電路的靜態(tài)工作點、增益(S21)、輸出功率，雜散等。

圖7 功放測試電路(1)

圖8主要測試功率放大器電路在小信號驅(qū)動下的S11(輸入回波損耗)、S22(輸出回波損耗)和S21(前向增益)等。

圖8 功放測試電路(2)

按照信號流向，發(fā)射電路和接收電路逐級調(diào)試，測試時，通過隔直電容斷開前后級電路，避免級間電路自激。

圖9所示是前級放大電路(包括小信號放大器ERA-5SM+與驅(qū)動放大器AH102)的增益曲線，在460MHz處，小信號電路的前向增益測試結(jié)果是17dB，驅(qū)動電路的前向增益測試結(jié)果約13dB。

圖9 前級放大電路前向增益曲線

圖10所示是末級功放的整體電路的測試結(jié)果，其靜態(tài)工作點為7V/200mA，在460MHz附近處，其前向增益S21約13dB左右。

圖10 末級功放測試結(jié)果

綜合圖9和圖10可知，發(fā)射電路總增益為17+13+13=43dB，滿足預(yù)定增益指標(biāo)。

圖11所示是接收電路整體噪聲系數(shù)曲線，在460MHz處，系統(tǒng)噪聲系數(shù)約0.8，其超低的噪聲系數(shù)可以大大提高接收系統(tǒng)靈敏度。

4 結(jié)束語

針對目前單集成射頻芯片前端不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)娜毕荩疚脑O(shè)計了一款可自動切換方向的雙向功率放大器，借助ADS2009軟件，分別對發(fā)射電路、接收電路和收發(fā)切換電路等各個電路模塊進(jìn)行了仿真與分析，利用Smith圓圖進(jìn)行阻抗電路分析，經(jīng)測試，該雙向射頻功率放大器滿足預(yù)定的功能和性能要求，可以用于450～470MHz頻段的各種TDD結(jié)構(gòu)的移動射頻前端。該電路的設(shè)計方法可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握微帶傳輸線、Smith圓圖、阻抗匹配和有源電路等設(shè)計和調(diào)試方法。

圖11 接收電路噪聲系數(shù)曲線

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