本文提出一种新颖的射频功率放大器电路结构,使用一个射频功率放大器实现GSM/DCS双频段功率放大功能,锐迪科的RDA6218就是采用这种结构。射频功率放大器管芯由原来的两个减少为一个,同时此结构射频功率放大器及输出匹配网络与CMOS控制器、射频开关集成至一个芯片模块,组成 GSM/DCS双频段射频前端模块,如图1所示。
图1 GSM/DCS双频段射频前端模块示意图。
单芯片放大器电路
本设计中的射频功率放大器电路采用三级放大的电路形式。如图2所示,将射 频功率放大器电路的第一级分成两个独立的输入端,分别对应于GSM 和DCS功率放大频段。然后共用第二级和第三级放大电路。在输出端实现了可以同时应用于GSM、DCS频段的输出匹配网络。由于第二级和第三级为GSM和 DCS两个频段共用的电路放大级,因此在设计此两级电路时需要同时兼顾GSM和DCS两个频段的要求。
图2、 双频段功率放大器电路原理图。
本电路中第三级设计为功率放大级,在通常电池电压供电的情况下,为使GSM频段和DCS频段功率输出分别达到35dBm和33dBm,因此 GSM频段和DCS频段的功率输出阻抗分别设计为2Ω和3Ω。由于GSM频段输出功率大于DCS频段输出功率,因此设计第三级功率管Q3最大输出功率达 35dBm。
该电路中第二级为功率驱动级,因为需要同时覆盖GSM和DCS两个频段,频率范围很宽,因此设计第二级放大电路采用负反馈结构,将工作频率从GSM频段拓宽至DCS频段。同时,第二、三级级间匹配网络也设计为宽带匹配网络。本设计电路中,第二级和第三级的总体增益设计为25dB,频率范围覆盖GSM和DCS频段。仿真结果如图3所示。
图3 第二级和第三级增益仿真结果。
由于高频段(DCS)的增益在第二和第三级时略低,因此设计第一级放大电路时,DCS频段第一级增益比GSM频段第一级高约3dB。同时,在DCS 频段射频输入端加入滤波网络,如图2所示。此滤波网络对GSM频段信号起到带阻作用,同时对DCS频段信号起到带通作用,加入此滤波网络可有效地提高交叉隔离度。该滤波网络的仿真原理图与仿真结果分别如图4、图5所示。本设计电路GSM频段和DCS频段总增益仿真结果如图6、图7所示。
图4 DCS频段输入滤波网络仿真原理图。
图5 DCS频段输入滤波网络仿真结果
图6 GSM频段总增益仿真结果
图7 DCS频段总增益仿真结果
高隔离射频开关
本文设计的GSM/DCS双频段射频前端模块中,GSM/DCS双频段射频功率放大器管芯的输出端分别与GSM输出匹配网络和DCS输出匹配网络连接至同一节点。而DCS工作频段范围为1710MHz~1910MHz,覆盖了GSM频段(880MHz~915MHz)的二次谐波频率范围(1760MHz~1830MHz)。因此当GSM频段发射选通时,GSM频段射频信号的二次谐波可通过共同节点泄漏至DCS输出匹配网络,从而传输至天线。
虽然GSM频段发射选通时,射频开关DCS端为关闭状态,但由于普通射频开关处于关闭状态时,隔离度只有20dB左右。因此,当GSM频段二次谐波信号较强时,仍有一定功率的射频信号通过射频开关DCS端耦合至天线,使得GSM频段发射时,天线端输出的GSM频段二次谐波信号较高,超出系统指标要求。为了满足通信系统要求谐波分量在-30dBm以下的要求,射频开关的DCS端设计为高隔离结构,当射频开关GSM端选通时,DCS端至天线端的隔离度高达80dB,使得GSM频段信号的二次谐波无法通过射频开关DCS端传输至天线,从而极大地降低了两个频段之间的射频干扰。
本文小结
本文提出一种新颖的射频功率放大器电路结构,使用一个射频功率放大器实现GSM/DCS双频段功率放大功能。同时将此结构射频功率放大器及输出匹配网络与CMOS控制器、射频开关集成至一个芯片模块,组成GSM/DCS双频段射频前端模块,其中射频开关采用高隔离开关设计,使得谐波满足通信系统要求。本文设计的GSM/DCS双频段射频前端模块,在GSM发射模式下,模块天线端输出功率为33dBm,效率38%,谐波抑制-33dBm以下;DCS发射模式下,模块天线端输出功率为30dBm,效率30%,谐波抑制-33dBm以下。
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