双频功率放大器在CDMA和WCDMA设备上的应用

　　根据最近一份ABIResearch报告指出(1)，无线移动数据为欧洲众多的运营商贡献25-30％的收入，为日本运营商贡献高达38％的收入。此无线数据服务，如音乐下载，电子邮件和移动互联网的日益普及，用户和移动宽带数据业务的收入可补偿每用户下降的语音使用。因此，全世界的运营商正把他们2G语音为导向技术的网络升级至3G和4G技术，使他们能够提供高速，宽带无线数据服务給消费者和商业用户。

　　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並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硑发了双频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　。

　　本文将侧重於ANADIGICSAWT6221在UMTS第2和第5频段，双频段WCDMA/HSPA的手机设计应用。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奬(2)及EDN创新奬,通信与网络的优秀产品奬。

　　AWT6221双频功率放大器大幅降低平均电流功耗高达75％，並增加高达25％的通话时间。

　　ANADIGICS的HELP3™功放，像是AWT6221功率放大器采用了该公司独有的InGaP-Plus™技术，在同一InGaPGaAs裸片中，集成了双极和场效应晶体管（FET）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現了最佳的效率。智能偏置电路的AWT6221降在低功率水平中可降低电流功耗至八毫安-世界上最好的。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，並节省印刷电路板面积。(图1)

　　ANADIGICS公司为受欢迎的组合频带提供双频段WCDMA/HSPA功率放大器模块，也为CDMA/EVDO应用提供双频功率放大器模块。更多信息可參考ANADIGICS公司（www.anadigics.com）。ANADIGICS公司以已开发的参考设计产品，帮助客户更快，更容易实现其设计目标。在本文中我们将描述AWT6221(图2)参考设计的优势。

图1

图2

　　AWT6221是为双频段WCDMA/HSPA的手机UMTS频段2(824-849MH)和频段5(1850-1910MHz）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（3）

•最大输出功率:+24dBm+1/-3dBm
•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
o在1-12.75GHz:-30dBm/1MHz之间
o在869–894MHz:-60dBm/3.84MHz之间
o在1930-1990MHz:-60dBm/3.84MHz之间
o在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Band5，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於功放进一步耦合与双工S参数的测量。在此测量上，零欧姆电阻被用來缩短电路板上的匹配元件(图3)。

图3

　　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参数來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來测试。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(图4,图5)。

图4

图5

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　　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。(图6,图7)

图6

图7

　　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。(图8,图9)

图８

图９

图10

　　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來测定的反思（S11）(图10);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11,图12的史密斯图表。

图11

图12

 　　最終成品参考设计符合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(图13,图14)。　　

图13

图14

　　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，並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。