一种高效新型WCDMA 直放站PA方案的设计与实现

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随着3G 技术的发展，系统容量的不断提高，对系统的线性要求越来越高。功放作为通信系统的主要非线性单元，其性能的改善在整个系统中的作用至关重要。单纯采用用功率回退的方法去满足线性要求越来越困难，同时也难以满足日益提高的效率要求。因而使得很多线性化技术被不断应用到功放设计中。
　　目前已商用的线性化技术包括前馈、DPD 和模拟预失真。其中前馈技术主要的缺点是，误差环路不能同时放大有用信号，导致效率非常低；而DPD 技术主要的特点是，通过处理基带信号达到预失真的效果，因此需要将射频信号先转化成基带信号，处理完成后再还原成射频信号与PA 的输出信号进行合成，完成信号的校正，其最大的缺点是系统复杂、难以调试，有效带宽受限。与以上两种线性化手段相比较，模拟预失真系统结构简单，容易调试，效率也可满足需求，因此已成为现在比较受欢迎的线性化方法。
　　不过，模拟预失真最重要的就是选择合适的非线性器件，其特性要和LDMOS 非常接近，才能模拟出PA 的非线性特性，最终达到预失真的效果。而这样的器件选择需要大量的实验数据和验证，这给前期研发带来很大挑战。
　　本文采用Scintera 公司内部集成的新型预失真芯片SC1887，配合NXP 公司的BLF6G22LS-130，使用Doherty 结构，前级推动使用BLM6G22-30G，最终完成WCDMA 30W 功率输出，为直放站客户提供了一种针对20W 整机的高效、节能的解决方案。
　　SC1887 预失真电路构成
　　与传统的模拟预失真电路相比较，SC1887 大幅简化了预失真电路的结构，减少了外围元器件的应用，从而使得整个电路更加紧凑、更易小型化；同时进一步提升了系统可靠性。实现原理如图1 所示。

图1 SC1887预失真实现框图
　　该电路采用了闭环结构，对消效果比传统的开环结构更优异。该芯片通过调节RFin、RFout 和FFFB 三个端口与各个巴伦之间的匹配，可以在600MHz 到2.8GHz 的带宽内正常工作。本方案采用村田制作所(Murata)的高Q 电容和低差损电感,将三个端口回波控制在18dB 以上（该板是采用Isola公司的专用板材IS680 设计的四层板）。同时可通过SPI 和计算机相连，随时监控其工作状态，使调试更加简捷高效。
　　具体实现方案
　　DXY 鼎芯实验室采用NXP 公司的高性能LDMOS，独立设计出一种实用的Doherty 结构，与模拟预失真芯片SC1887 实现了完美结合。射频方案中的预推动采用NXP RFSS BGA6589，推动级采用NXPBLM6G22-30G，末级采用NXP BLF6G22LS-130。相比于业内其他厂家的产品，NXP 的LDMOS 效率高、增益高，在高效率、大功率功放应用方面有着不可替代的优势。
　　其中BLF6G22LS-130 单管增益可达17dB，饱和效率55%，做成Doherty 后增益也有15-16dB，末级6dB 回退效率在40%以上。BLM6G22-30G 是塑封的集成二级IC 管，增益高达28dB，效率高，是做大功率推动级的首选方案。同时为了提高输出功率，采用研通(Yantel)高频技术公司最新推出的低插损电桥 HC2100A03。
　　SC1887 对RFin、RFFB 两个端口的输入信号强度都有一定动态范围要求。为了与功放更好的配合，在环路内使用两个ATT 电路，实时调节主通路和反馈通路的增益范围，确保SC1887 在一定的功率输出动态范围内有很好的表现。具体实现电路原理如图2 所示。

图2 功放原理框图
　　测试结果分析
　　测试结果如表1所示。从测试数据可以看出，在Pout=44.7dBm时,对消后ACPR在52dBC以上，可以满足3GPP频谱发射模板。效率可以做到27%，比普通回退功放提高10%以上，显著减少了能耗，远远超出运营商的招标要求，符合当今节能环保、绿色低碳的发展需求。

　　通过分析以上测试结果可以看出，该方案有如下几大优势：
　　1.效率高：采用Doherty加模拟预失真的线性化技术，该方案与普通的HPA相比，效率至少提高10%以上。
　　2.成本低：功放管在整个功放成本中占主要地位，同样的功率输出，该方案比传统的HPA减少一半的使用量，节省成本。
　　3.结构简单，易于调试：简化了预失真电路的结构，减少了外围元器件的应用，使得整个电路更加紧凑，提高了整个系统的可靠性和一致性，便于生产调试。

图3 2140MHZ 测试结果

图4 WCDMA30W PA方案测试平台

       附录：功放的非线性失真及传统模拟预失真的实现
　　功放的非线性失真特性主要由AM-AM失真、AM-PM失真两个特性来表征，如图5所示。

图5 功放的AM-AM、AM-PM特性示意图

　　为了便于分析，我们忽略功放的记忆效应，将功放的传输特性标识为：
　　Vo(t)=f[Vi(t)] (1)
　　其中Vi(t)、Vo(t)分别为功放的输入和输出电压。将该式用泰勒级数展开，取前3项，得到式(2)：
　　Vo（t）=k1Vi(t)+k2Vi2(t)+K3Vi3(t) (2)
　　为简化分析过程，我们假设输入为点频信号，即Vi=Acosω1t,则输出信号为：
　　Vo(t)=0.5K2A2+(k1A+0.75k3A3)cosω1t+0.5k2A2cos2ω1t+ 0.25k3A3cos3ω1t (3)
　　从式3可以看出，由于功放的非线性，输出信号中不仅包含有输入信号频率分量，还出现了新的直流分量、二次谐波和三次谐波分量。其中，基波分量的振幅为k1[1+0.75(k3/k1)A2]A,其中k1为线性增益，0.75k3A2是非线性失真。
　　当k3>0时，k1[1+0.75(k3/k1)A2]>k1 ,此时增益呈现扩张特性；反之，当k3< 0时，k1[1+0.75(k3/k1)A2] <k1 ,此时增益呈现压缩特性。大部分非线性器件(包括LDMOS)，其k3< 0，随着输入功率的升高会出现增益压缩现象，这就是AM-AM失真。有些非线性器件在特定的偏置状态下会出现k3>0的增益扩张特性，传统的预失真器就是要找到这样的器件来完成预失真效果。
　　AM-PM失真是指输出信号的相位随输入信号幅度的变化而变化。对于一个理想的放大器，它的输出信号的相位和输入信号的幅度无关。然而，在实际的放大器中，输入信号的幅度调制会导致输出信号的相位调制，一般用贝塞尔函数表示，如下：
　　
　　实际表明，当输入信号为小功率信号时，功放的非线性主要以AM-AM失真为主；而当输入信号为大功率信号时，AM-PM失真较之前者对功放线性的影响更为明显。
　　功放的非线性主要是由k3<0产生增益压缩而产生的。模拟预失真的原理就是要找到一个k3>0的器件与功放串联，使两者的非线性相互抵消，使最终功放输出的信号保证在线性状态下。其原理如图6所示。
　　为了保证足够的对消效果，一般预失真都采用双环结构，其实现框图如图7所示。

图7 模拟预失真实现框图
　　其中通路III、IV构成预失真产生环路，合路后经通路V通过必要的衰减和移相再与通路I的主信号合成最终完成预失真的效果。一般通路IV上的IM3产生器的器件选择都比较严格。
　　整个电路需要IV、V两个通路同时严格的调整衰减和相位，结构比较复杂，调试难度也很高。