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CDMA和WCDMA設備雙頻功放的運用
摘要: CDMA/EVDO 及WCDMA/HSPA 是3G部署范圍最廣泛的兩種技術。此兩種技術取決于碼分多址(CDMA)數字無線技術,使許多用戶可以有效地利用同一塊射頻頻譜中的語音和數據通訊。 CDMA是種依靠獨特的“切代碼”分配給每個用戶的擴頻射頻通信,以區別在相同RF頻譜的其他使用者。頻譜擴充提高了信道容量,并允許多個用戶使用運營商的完整帶寬。
Abstract:
Key words :

CDMA/EVDO 及WCDMA/HSPA 是3G部署范圍最廣泛的兩種技術。此兩種技術取決于碼分多址(CDMA)數字無線技術,使許多用戶可以有效地利用同一塊射頻頻譜中的語音和數據通訊。CDMA是種依靠獨特的“切代碼”分配給每個用戶的擴頻射頻通信,以區別在相同RF頻譜的其他使用者。頻譜擴充提高了信道容量,并允許多個用戶使用運營商的完整帶寬。CDMA/EVDO網絡運營商使用1.25MHz,而WCDMA/HSPA網絡利用更廣泛的5MHz。數據傳輸率還可以在無線網絡中進一步增加高階調制,以提供更好的用戶體驗與無線數據。

多頻段CDMA和WCDMA手機需要更大的射頻設計工作,以提供足夠的輸出功率并確保線性度和效率在每個頻帶的正常運作。設計通常包括一個功率放大器和有利每個頻段的雙工,RF濾波器和開關,以配合多個射頻輸入至單一的天線。為了降低多頻段手機設計的復雜性,ANADIGICS研發了雙頻CDMA和 WCDMA功率放大器模塊。通過在單一封裝中集成兩個功率放大器模塊,和之前使用兩個單獨功率放大器的DC和RF信號線設計相比,可有效減少電路板面積。本文將描述雙頻功率放大器模塊在CDMA/EVDO和WCDMA/HSPA手機設計的典型應用。

本文將側重于ANADIGICS AWT6221在UMTS第2和第5頻段,雙頻段WCDMA/HSPA的手機設計應用。 ANANDIGICS的AWT6221曾榮獲由中國產業信息部頒發的信息化應用、通信技術創新優秀成果獎。

和一般標準的功率放大器相比,AWT6221雙頻功率放大器大幅降低平均電流功耗高達75%,并增加高達25%的通話時間。

ANADIGICS的HELP3功放,比如AWT6221功率放大器采用了該公司獨有的InGaP - Plus技術,在同一BiFET晶圓片中,集成了HBT及pHEMT設備。通過可選的偏置模式, HELP3功率放大器在低范圍和中端輸出功率水平中呈現了最佳的效率。智能偏置電路的AWT6221降在低功率水平中可降低電流功耗至8mA。通過集成兩個獨立的功放鏈,超迷你AWT6221在這兩個頻段中提供卓越的性能,并節省印刷電路板面積,見圖2。


圖2. AWT6221參考設計

AWT6221是為雙頻段WCDMA/HSPA的手機UMTS頻段2(824-849MH)和頻段5(1850 -1910MHz)而開發的。3GPP技術規范了用戶設備第3級的功率,必需達到或超過這些最低性能水平。

• 最大輸出功率: +24dBm +1/-3 dBm
• 鄰道泄漏功率比(ACLR) +/- 5MHz: -33dBm
• 鄰道泄漏功率比(ACLR) +/- 10MHz: -43dBm
• 最大諧波排放指定的頻率: 30 – 1000MHz: -36dBm/100kHz之間

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

大部分CDMA和WCDMA網絡的頻分雙工系統,允許不同的射頻頻段分配給上行鏈路(從移動到基站)和下行(從基站到移動)同時間聯系。雙工器用于移動設備以允許UL和DL利用單一的天線。UMTS頻段2中,我們選擇Avago科技的微型FBAR雙工高Q反應的ACMD - 7403。針對Band 5,我們選擇Epcos低損耗SAW雙工的B - 7663。該參考設計還包括CP402A薄膜功率方向耦合器的耦合AVX,為許多頂級3G芯片組提供所需的射頻功率。

AWT6221參考設計的發展起始于功放進一步耦合與雙工S參數的測量。在此測量上,零歐姆電阻被用來縮短電路板上的匹配元件,見圖3。

S參數描述N端口每一個端口網絡反應的的電壓信號。第一個數字的下標指的是應對口,而第二個數字指的是事件口。因此S21指信號端1在口2造成的反應。S參數來自行和列數量相等的矩陣口。沿S矩陣對角線的參數被稱為反射系數,對角S參數被稱為透射系數,因為他們只發生在單一端口。S矩陣的二端口網絡見下表:

反射系數(S11)針對頻段2和頻段5射頻路徑的頻率范圍來測試。功率放大器于不符合電路的輸出形成一系列的阻抗變化,其結果顯示于史密斯表格見圖 4、圖5。


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

 


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

對于任何功率放大器,輸出阻抗在運作上有重大影響,并強烈的影響了轉移到天線,線性( ACLR )和運作效率的功率。像ANADIGICS廠商的功率放大器可幫助工程師做好權衡這些負載牽引信息。最佳輸出阻抗會被其他射頻鏈元件特點所影響,如雙工器和交換機并不總是50Ω。變異頻率雙工特征頻段內的優勢及運作溫度,在發展良好的WCDMA射頻設計中特別具挑戰性,見圖6、圖7。

研發AWT6221參考設計的下一步是匹配雙工天線的阻抗,盡量減少在每個頻段阻抗的變化頻率。雖然簡單的二元件從理論上看有超過窄帶頻率的優良表現,在更廣泛的帶寬中獲得良好的表現,并補償由于生產的公差和溫度的變化,或電壓造成的可預期變數,往往需要額外的符合要素。 3元件為兩種頻帶選擇的結果顯示于史密斯圖表。匹配的網絡大大降低了在雙工下的阻抗變數,從而簡化了可符合的其余電路,見圖8、圖9。


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

 


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

研發AWT6221參考設計的再下一步是功率放大器和耦合器+雙工之間的配對。再次,針對頻帶2和頻帶5,為射頻路徑的頻率范圍來測定的反思(S11)見圖9-1;最終是要用于制定可符合在WCDMA運作中,每個頻段以最小的阻抗變數,優化功率放大器性能要求的網絡。與以前一樣,3元件網絡才能實現良好的效能;結果顯示于圖10、圖11的史密斯圖表。


圖10. Cell Band: PA Load optimization


圖11. PCS Band : PA Load optimization

 

最終成品參考設計符合WCDMA在頻段2和頻段5于室溫下的要求。此外,該匹配網絡在所有預期范圍內,仍能保持性能規格的條件下,將變化的頻率,溫度和電源電壓減至最少,見圖12、圖13。


圖12. Cell Band ACPR performance Over Temperature and Voltage


圖13. PCS ACPR performance Over Temperature and Voltage

本文中討論的參考設計可為新設計的3G手機,數據卡,無線調制解調器和其他的WCDMA/HSPA設備提供有用的起點發展。在研發新的設計時,工程師需要考慮設計的重要功能要求,并考慮改變在這里討論的匹配網絡,以實現在輸出功率,線性度,效率和其他射頻參數的最佳權衡。審查每個功率放大器的負載牽引,將有助于確定可能不是50Ω的最佳輸出阻抗匹配點。這位工程師還必須考慮到每部分變異的射頻路徑和網絡選擇,減少天線輸出的變數,并且不超過預期的使用溫度,頻率和電源電壓,讓所有的射頻參數維持于可接受的水平下。最后,功率放大器的控制反射(回波損耗),以避免導致電路中的不穩定或振蕩將是重要的。

ANADIGICS的AWT6221是3G手機和數據設備中,雙頻功率放大器系列中的其中一款。目前ANADIGICS的雙頻功率放大器產品列出如下,新的設計也正在研發。

• AWT6221: WCDMA/HSPA HELP3適用于UMTS頻段2及5的雙模PA
• AWT6222: WCDMA/HSPA HELP3適用于UMTS頻段1及6的雙模PA
• AWT6224: WCDMA/HSPA HELP3適用于UMTS頻段1及8的雙模PA
• AWT6321: CDMA/EVDO HELP2適用于蜂窩及PCS頻段的雙模PA。

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