双频功放在CDMA和WCDMA设备上的应用

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[导读]频谱扩充提高了信道容量,并允许多个用户使用运营商的完整带宽。CDMA/EVDO网络运营商使用1.25MHz,而WCDMA/HSPA网络利用更广泛的5MHz。数据传输率还可以在无线网络中进一步增加高阶调制,以提供更好的用户体验与无线数据。

 

CDMA/EVDO及WCDMA/HSPA是3G部署范围最广泛的两种技术。此两种技术取决于码分多址(CDMA)数字无线技术,使许多用户可以有效地利用同一块射频频谱中的语音和数据通讯。CDMA是种依靠独特的“切代码”分配给每个用户的扩频射频通信,以区别在相同RF频谱的其他使用者。频谱扩充提高了信道容量,并允许多个用户使用运营商的完整带宽。CDMA/EVDO网络运营商使用1.25MHz,而WCDMA/HSPA网络利用更广泛的5MHz。数据传输率还可以在无线网络中进一步增加高阶调制,以提供更好的用户体验与无线数据。

 

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。

  

ANANDIGICS的AWT6221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。

  

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1。

  

  图1. 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 MHz到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

  

1—12.75GHz: -30dBm/1MHz之间

  

869 —894MHz: -60dBm/3.84MHz之间

  

1930—1990MHz: -60dBm/3.84MHz之间

  

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2。

  

  

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3、图4。

  

  图3. Cell Band: PA output to Antenna Port without Matching

  

  图4. PCS Band : PA output to Antenna Port with(out) Match

  

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5、图6。

  

  图5

  

  图6

  

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7、图8。

 

  

  图7. Cell Band: PA output to Antenna Port after Duplexer to Antenna optimization

  

  图8. 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8;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9、图10的史密斯图表。

  

  图8. PCS Band : PA output to Antenna Port with(out) Match

  

  图9. Cell Band: PA Load optimization

  

  图10. 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11、图12。

  

  图11. Cell Band ACPR performance Over Temperature and Voltage

  

  图12. 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。

  

• AWT6221: WCDMA/HSPA HELP3适用于UMTS频段2及5的双模PA

  

• AWT6222: WCDMA/HSPA HELP3适用于UMTS频段1及6的双模PA

  

• AWT6224: WCDMA/HSPA HELP3适用于UMTS频段1及8的双模PA

  

• AWT6321: CDMA/EVDO HELP2适用于蜂窝及PCS频段的双模PA。