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射頻原理

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設計射頻功率放大器模塊有什么訣竅?

隨著現代數字移動通信技術的蓬勃發展,用戶對無線通信設備的性能要求越來越高,實現在各種環境中的穩定、高速的數據傳輸是未來移動通信系統研究者的主要目標之一。射頻功率放大器是發射機的末級,它將已調制的頻帶信號放大到所需要的功率,保證在覆蓋區域內的接收機可以收到滿意的信號電平,但不能過于干擾相鄰信道的通信,同時又要盡量地保持放大后的大功率信號不失真畸變。這些不同方面的要求使得功率放大器的設計者要面面俱到地考慮到很多指標的平衡,功率放大器的設計也成為無線通信系統設計過程中的關鍵步驟之一。
 
基本概念

PA將它放大到足夠功率,經匹配網絡,再由天線發射出去。PA)是發射系統中的主要部分,其重要性不言而喻。在發射機的前級電路中,調制振蕩電路所產生的射頻信號功率很小,需要經過一系列的放大(緩沖級、中間放大級、末級功率放大級)獲得足夠的射頻功率以后,才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率,必須采用射頻功率放大器。在調制器產生射頻信號后,射頻已調信號就由RF射頻功率放大器(RF
 
何“貢獻”,反而有可能出現一些不期然的“震蕩”,這種“震蕩”對于外界還是放大器自身,都是災難性的。獻”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平,并向外界“輸出”。如果放大器能夠有好的性能,那么它就可以貢獻更多,這才體現出它自身的“價值”。如果放大器存在著一定的問題,那么在開始工作或者工作了一段時間之后,不但不能再提供任放大器的功能,即將輸入的內容加以放大并輸出。輸入和輸出的內容,我們稱之為“信號”,往往表示為電壓或功率。對于放大器這樣一個“系統”來說,它的“貢
 
射頻功率放大器的主要技術指標是輸出功率與效率,如何提高輸出功率和效率,是射頻功率放大器設計目標的核心。通常在射頻功率放大器中,可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波,實現不失真放大。除此之外,輸出中的諧波分量還應該盡可能地小,以避免對其他頻道產生干擾。


射頻功率放大器模塊的設計與實現

功率放大器設計中的兩個重要問題
電路設計中的電磁兼容(EMC)措施
 
射頻電路工作在很高的頻率上,在元件引腳或者電路引線上會產生一定的寄生參量。而射頻功率放大器中,在高功率、大電流的環境下,寄生參量對于系統的影響大大增加,另外,引線電感及走線電感等又是引起高頻輻射干擾的重要因素,這些功率不小的電磁干擾(EMI)可能會使功率放大器本身、電源部分或者系統的其他部分的性能大幅下降,很多情況下會直接影響系統的多項主要指標。
 
為了盡可能減小電磁干擾的影響,需要在電路設計及PCB設計中采取電磁兼容(EMC)措施,這樣做也能有效地減少后期調試工作量,增加產品的可靠性和一致性,提高產品性能。
 
我們在工程中采取的措施主要有:電源線應盡量粗,器件電源或偏置網絡都應該多加去耦電容和扼流電感,并選用高頻性能好的器件,從而增加電源的穩定性,減少電源波動對于器件的影響;PCB設計要合理布局,功率放大器部分應該與其他低功率或者數字部分盡量遠離,并在中間加裝金屬隔條、屏蔽罩或微波吸附材料,避免功率放大器與其他部分的相互輻射干擾;PCB設計中,在無元件、線路經過的位置多加保護地,并多加金屬化通孔造成多點接地;射頻走線盡量短,嚴格控制線頭、引腳長度,匹配網絡應盡量靠近需要匹配的器件,等等。實踐證明,這些措施都能夠很好地減少電磁干擾,改善電路性能。
 
功率放大器的線性化

線性度是射頻功率放大器的一個非常重要的指標,在移動通信設備中,功率放大器的非線性失真往往會造成信號畸變失真以及引起鄰道干擾。所以,移動通信設備對功率放大器的線性度提出了很高的要求。
 
功率放大器非線性失真特性主要有兩種:第一種為非線性的增益特性,即輸出信號與輸入信號的功率之間不是線性關系,對應于單頻信號的輸入,將會產生諧波失真;而對于雙頻信號的輸入,除諧波外,還會產生交調分量,引起交調失真;另一種為非線性的相移特性,即輸入輸出的相位差隨功率不同而改變,結果會產生調幅/調相(AM/PM)效應。這兩種非線性對于采用非恒包絡調制方式的數字移動通信系統,不但會產生帶內失真,還會產生帶外頻率擴展,引起對鄰近信道的干擾。
 
一般對功率放大器的線性度的衡量有諧波抑制度、三階交調抑制度等指標:當放大器輸入載波頻率為f0的單頻信號時,由于器件的非線性失真,會產生頻率為mf0(m為自然數)的諧波,如圖1(a)所示,諧波輸出功率與基波輸出功率之差即為諧波抑制度;當放大器輸入頻率間隔不大、載波頻率分別為f1和f2的信號時,在放大器輸出端除了載波頻率為f1和f2的信號外,還形成了頻率為±mf1±nf2(m、n均為自然數)的交調產物,如圖1(b)所示,其中頻率為2f1-f2和2f2-f1的兩個頻率分量功率最大,稱為三階交調產物,三階交調產物與輸出載波的功率之差即為功率放大器的三階交調抑制度。三階交調產物頻率非常靠近所用的載頻f1和f2,一般無法通過濾波等方式消除,只能在放大器的設計過程中加以改善。因此,抑制三階交調產物,提高三階交調抑制度是提高功率放大器線性度的重點。

目前國內外對于射頻功率放大器的線性化技術已經進行了大量的研究工作,研究熱點主要集中在前饋法、預失真法、負反饋法等幾種新技術上。隨著DSP、FPGA等技術的快速發展,這幾種功放線性化技術必將逐漸完善、普及而成為未來的發展方向,但由于目前成本和技術的原因,應用尚不廣泛,鑒于篇幅在此就不作詳述。在實際工程中,功率回退法這種簡單有效的技術一直有著十分廣泛的應用,下文提到的GSM直放站功率放大器模塊就采用了功率回退法來改善線性度。
 
功率回退法即選用功率較大的放大管作小功率用途,犧牲直流功耗來提高功放的線性度,具體來說就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點向后回退一些,工作在遠小于1dB壓縮點的功率上,使功率放大器脫離飽和區,進入線性工作區,從而改善放大器的線性度。這種方法的優勢在于簡單易行,不需要增加任何附加設備,且可靠性高;其缺點是功率放大器的效率因此有所降低,器件成本提高,且對線性度的改善程度也比較有限。因此,在線性度要求很高的場合,完全依靠功率回退是不夠的,必須與其他線性化措施結合起來,在線性度要求稍低的應用中,功率回退法是一種較為合適的線性化措施。
 
GSM直放站功率放大器模塊設計實例

一般在工程中,功率放大器模塊的設計工作重點在于匹配網絡的設計。考慮指標要求及成本,決定放大級數、每級的增益分配及所采用的器件,之后分別設計每一級的匹配電路、電源、級間匹配等細節,最后用CAD工具仿真、設計印制電路版,是我們通常采取的設計流程。

 


根據設計目標,該功率放大器模塊整體功率增益為55dB,輸出功率為39dBm。一般情況下,多數廠家提供的場效應管設計的放大器增益不超過20dB,常用的集成功率放大芯片的功率增益也在30dB左右,加上設計中應留出的余量,我們決定采用三級放大的結構。(2)
 
第一級放大器選用Gali-5單片放大器,Gali系列封裝體積小,匹配網絡簡單方便,可靠性高,器件的線性度很好,它可以提供19dB左右的功率增益;第二級選用MHL9838集成功率放大芯片,該芯片內部集成了匹配網絡,因此設計簡便,可靠性也非常高,用做推動放大級性能十分理想,該模塊可以提供31dB左右的功率增益。(3)
 
整個系統的關鍵在于末級放大。末級放大器由于輸入功率很大,其非線性度對于信號的影響是巨大的。在這個多級功放模塊中,由于前兩級可靠性高,最后一級的性能對于系統的性能起著決定性的作用。實際上,移動通信系統中非線性放大器對發射信號的影響,與調制方式密切相關,GSM制式采用GMSK調制方式,是一種恒定包絡的調制方式,對于線性度的要求較采用CDMA制式的系統低一些,用功率回退法這種線性化技術可以滿足指標要求。綜合考慮之后,選用Freescale公司的MRF9060L功率放大管,它可以提供17dB功率增益、60W(略大于47dBm)的輸出功率以及此輸出功率下-31dBc的三階交調抑制度,采用功率回退之后,三階交調抑制度可以符合指標需求。
 
三級放大器級聯得到的功率增益約67dB左右,為達到55dB的指標要求,在第一級放大器之前采用π型衰減器對信號進行衰減。π型衰減器是由三個電阻組成的衰減器,性能可靠,設計調試十分簡單,而且能夠非常有效的吸收后級電路的反射波,可以改善級間匹配和電路駐波比,在射頻電路中應用十分廣泛。這里把它放在第一級之前,配合隔離器可以得到很好的輸入駐波比。
 
最后設計模塊電路原理圖如下圖2:

GSM直放站功率放大器模塊電路原理圖圖2
 
原理圖設計完成后,就可以根據原理圖進行印制電路版圖的設計,之后組裝出樣機。樣機調試完成后,使用射頻儀器實測主要指標如下:(4)
 
GSM直放站功率放大器模塊樣機主要指標測試結果表2

使用頻譜儀實測其三階交調抑制度和帶內波動的顯示結果如圖3。從圖上可以看到,該功率放大器樣機的三階交調抑制度達到-48.47dBc,帶內波動為0.389dB。均大大好于最初設計指標要求,取得了非常滿意的性能。

在射頻功率放大器的設計中,電磁兼容和線性化是設計者應予以重視的兩個關鍵問題,本文對于這兩個問題的原理和具體實現措施進行了探討,并詳細分析了GSM直放站功率放大器模塊這個工程實例的具體設計過程。通過樣機的實測結果證明,文中的論述方法是具體可行的,可供射頻功率放大器設計工程師作為參考。


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