CDMA和WCDMA設備雙頻功放的運用

CDMA/EVDO 及WCDMA/HSPA 是3G部署范圍最廣泛的兩種技術(shù)。此兩種技術(shù)取決于碼分多址（CDMA）數(shù)字無線技術(shù)，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(shù)據(jù)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(qū)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(wǎng)絡運營商使用1.25MHz，而WCDMA/HSPA網(wǎng)絡利用更廣泛的5MHz。數(shù)據(jù)傳輸率還可以在無線網(wǎng)絡中進一步增加高階調(diào)制，以提供更好的用戶體驗與無線數(shù)據(jù)。

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(fā)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(cè)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(chǎn)業(yè)信息部頒發(fā)的信息化應用、通信技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)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(shù)，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(xiàn)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(jié)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(fā)的。3GPP技術(shù)規(guī)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(wǎng)絡的頻分雙工系統(tǒng)，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(lián)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(fā)展起始于功放進一步耦合與雙工S參數(shù)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(shù)描述N端口每一個端口網(wǎng)絡反應的的電壓信號。第一個數(shù)字的下標指的是應對口，而第二個數(shù)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(shù)來自行和列數(shù)量相等的矩陣口。沿S矩陣對角線的參數(shù)被稱為反射系數(shù)，對角S參數(shù)被稱為透射系數(shù)，因為他們只發(fā)生在單一端口。S矩陣的二端口網(wǎng)絡見下表：

反射系數(shù)（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(jié)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(zhuǎn)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(quán)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(nèi)的優(yōu)勢及運作溫度，在發(fā)展良好的WCDMA射頻設計中特別具挑戰(zhàn)性，見圖6、圖7。

研發(fā)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(yōu)良表現(xiàn)，在更廣泛的帶寬中獲得良好的表現(xiàn)，并補償由于生產(chǎn)的公差和溫度的變化，或電壓造成的可預期變數(shù)，往往需要額外的符合要素。 3元件為兩種頻帶選擇的結(jié)果顯示于史密斯圖表。匹配的網(wǎng)絡大大降低了在雙工下的阻抗變數(shù)，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(fā)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(shù)，優(yōu)化功率放大器性能要求的網(wǎng)絡。與以前一樣，3元件網(wǎng)絡才能實現(xiàn)良好的效能；結(jié)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(wǎng)絡在所有預期范圍內(nèi)，仍能保持性能規(guī)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(shù)據(jù)卡，無線調(diào)制解調(diào)器和其他的WCDMA/HSPA設備提供有用的起點發(fā)展。在研發(fā)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(wǎng)絡，以實現(xiàn)在輸出功率，線性度，效率和其他射頻參數(shù)的最佳權(quán)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(wǎng)絡選擇，減少天線輸出的變數(shù)，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(shù)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(wěn)定或振蕩將是重要的。

ANADIGICS的AWT6221是3G手機和數(shù)據(jù)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(chǎn)品列出如下，新的設計也正在研發(fā)。

• 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。