3G基站应用中射频放大器的性能分析和选择策略

为适当配置基站收发器,设计者必须了解其所用射频放大器的性能参数,这不仅包括增益、噪声系数、P1dB及IP3等标准参数,还包括频谱再增长及ACPR/ACLR(相邻信道功率抑制/相邻信道泄漏功率比)、功率效率等。本文分析了这些考虑因素之间的折衷并给出各种类型放大器的性能比较。

全球对无线通信及其增强业务日益增长的需求,推动无线网络的持续快速发展。今天,世界各地正在部署包括CDMA及UMTS(WCDMA)等网络形式在内的3G无线通信系统。每种协议都拥有运营一种无线网络所必须遵循的特定标准。而对无线基站虚假辐射的限制,则取决于所采用的特定协议。

参见图1所示基站收发器组成框图。在今天的大多数情况中,I和Q信号首先在I/Q射频模块中被上变频(该模块负责将基带信号转换成所需射频信号),然后再进行放大及滤波,最后通过天线发射出去。

此外,中继器还必须遵循CDMA及UMTS(WCDMA)协议要求。从基站进入中继器的信号可能已经含有虚假输出,故在设计中继器时须考虑到这种因素,以使其输出不至超出给定协议规定的指标。

协议要求

对特定协议的虚假辐射要求应有很好的定义。以下是频率靠近载波的基站射频输出要求,它通常决定收发器中放大器的选择与工作情况。

1. CDMA(IS-95)虚假辐射要求(ACPR),9 Ch. Fwd

ACPR=在+/-885kHz(30kHz带宽)处以dBm表示的功率-以dBm表示的功率主信号 (1.23MHz带宽)<-45dBc

2. UMTS(WCDMA)虚假辐射(邻近信道泄漏功率比＝ACLR),3GPP WCDMA,测试模型 1+64DPCH,带宽=3.84MHz,

ACLR=在+/-5MHz处以dBm表示的功率-以dBm表示的功率主信号<-45dBc

当用滤波器来削弱“带外”虚假信号时,这些靠近射频信号的虚假信号必须通过适当的基带及射频电路设计来加以限制。尤其须对射频放大器进行适当的选择与偏置,以防止收发器超出虚假辐射指标。随着放大器输出功率的增加,输出信号失真也随之加大。在用各种不同方法来描述射频放大器的失真特征时,通常用P1dB及IP3等指标来作为确定射频放大器可能达到的输出功率水平的特定指标。而对于像CDMA及UMTS(WCDMA)等扩频信号,其失真则与频谱再增长有关,如图2所示。

正如针对特定协议所规定的,相邻信道功率常用作一种描述射频放大器频谱再增长特征的方法。通过频谱分析仪可测量相邻信道功率,以观察在给定带宽内与载波存在特定距离的虚假信号电平。

在为给定应用选择射频放大器时的另一关键因素是功率效率。作为扩谱信号,CDMA及UMTS(WCDMA)信号拥有高峰值-平均值比例。射频放大器必须能很好地工作于P1dB以下,这样当放大器工作于A类时,其功率效率相对较低(注:本文未讨论预失真技术)。通过使放大器工作于AB类或更高模式可提高功率效率,且仍然能保持可接受的频谱再增长特征。

从图中可看出,可为放大器选择这样一个工作点,即与A类工作模式相比,功率效率提高且仍能满足ACLR要求。

基站发射器设计

发射器或中继器最后输出级的功耗最大,且因此适合工作于AB类。通过以小信号工作并驱动放大器在A类或靠近A类工作以使其频谱再增长最小,可将最多的频谱再增长分配给输出放大器级。一种典型的IS95A发射器配置如表1。

放大器类型

射频放大器的相邻信道功率抑制(IS95A的ACPR)或相邻信道泄漏功率比(WCDMA的ACLR)亦随放大器的设计、围绕放大器的实际电路以及所采用的处理技术而相应变化。

小信号及驱动放大器常被设计成使IP3在所选输出功率范围内具有峰值特征,以按以下方式来提高ACPR/ACLR:可通过将实际射频电路配置成使P1dB及IP3最佳来提高放大器的ACPR/ACL,但这又会使输入/输出驻波比(VSWR)增加到这样一个水平,即很难将此放大器与链路中的另一个放大器进行级联。而且,器件阻抗也可能要求采用匹配电路,故会限制实际工作中的可用带宽。

因此我们在选择一种基站发射器或中继器中的射频放大器时,须考虑多种因素,包括:

1.协议要求及峰值-平均值比例(CDMA、UMTS(WCDMA)或其它)；

2.偏置(A类vs. AB类或其它)；

3.设计(使IP3最大以提高ACPR/ACLR)；

4.放大器电路设计。

现在比较一下包括GaAs MESFET、GaAs HFET及InGaP HBT在内的各类放大器的性能(表2,表3)。

每种放大器都拥有其各自的优点。AH102 MESFET是一种宽带器件,故与FP1189 HFET及AH115 HBT相比,可在几个不同频段内使用,但其功率增加效率并不高。FP1189及AH115在ACPR/ACLR性能上可相比较,但FP1189采用+8V电源,故与采用+5V电源的AH115相比它要求有负栅极电压。

AH201 MESFET具有较宽的带宽匹配,但FP2189/FP31 HFET及AH215/AH312 HBT则具有更佳的ACPR/ACLR及功率增加效率。

本文小结

在为CDMA/UMTS基站发射机选择一种射频放大器时须考虑多种因素。像P1dB及IP3等传统因素已不再是区分放大器性能优劣的主要指标,设计者还需考虑放大器的ACPR/ACLR、功率效率及所需带宽与易于匹配等多种因素,才能为特定应用选择一种最佳的射频放大器。本文说明这些因素之间的折衷并给出各种类型放大器的性能比较。

作者:Ron Buswell

高级副总裁

WJ通信公司