帶自適應(yīng)控制的線性功率放大器

Linear power amplifier of Direct Amplifier Station with adaptive control

摘要: 線性功率放大器是CDMA直放站的核心模塊。本文設(shè)計的帶自適應(yīng)控制的線性功放,其功率增益G為48±0.8dB,1db壓縮點輸出功率≥37dBm,帶內(nèi)波動≤0.8dB,互調(diào)失真IMD3≤－15dBm,IMD5≤－25dBm,輸入輸出端口駐波比VSWR≤1.3,增益步進衰減ATT范圍為31dB,自動電平控制ALC范圍為20dB,符合直放站的應(yīng)用要求.

關(guān)鍵詞: 功率放大器； 線性； 自動電平控制； 自動增益控制；

Abstract: Linear power amplifier is an important module of Direct Amplifier Station. In the present paper , a linear power amplifier(PA) with adaptive control is designed. The output power of PA is greater than 37dBm at the 1dB compressed point. It achieves a power gain of 47 dB with a good flatness of ±0.8 dB only, input and output VSWRs is better than 1.3.The third-order Intercept Point is less than -15dbm and the fifth-order Intercept Point less than -25dbm.The range of att reaches 31db,and alc 20db. It meets the demand of Direct Amplifier Station.

Key words: power amplifier; linearity; alc; agc

1引言

CDMA直放站作為一種實現(xiàn)無線覆蓋的輔助手段，用來解決盲區(qū)或?qū)⒒拘盘栠M行延伸，調(diào)配小區(qū)業(yè)務(wù)，平衡各小區(qū)的話務(wù)量，在“導(dǎo)頻污染”地區(qū)強化主導(dǎo)頻等等，以達到低成本擴大無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的目的。功放是直放站的核心部件，CDMA系統(tǒng)的調(diào)制方式以及頻譜的利用率，對功放的線性度提出了很高的要求。放大器的非線性將造成交調(diào)嚴重，CDMA導(dǎo)頻信號混亂，通信質(zhì)量惡化等現(xiàn)象[1]。

本文研制一種功能完備的，適用于生產(chǎn)要求的870-880M5W帶自適應(yīng)控制的直放站線性功率放大器。其射頻電路部分分為三級放大，G1為增益級，G2為推動級,G3為輸出級。射頻信號經(jīng)過-3db的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)進入自動電平控制(ALC),再由G1放大至自動增益控制(AGC)及數(shù)控衰減部分(ATT)，又由G2,G3放大接環(huán)行器到輸出。數(shù)字控制部分主要由單片機ATMEGA8與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器TLC5620組成。

2電路設(shè)計與分析

2.1數(shù)字控制電路及數(shù)控衰減器

ATMEGA8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的單片機[2]。在線可編程，具有強大的外部接口性能，最多有23個可編程I/O口，可任意定義端口的輸入/輸出方向。TLC5620是8位的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，使用串口通信。在本功放中的電路連接如圖1所示。數(shù)控部分實現(xiàn)對功率、增益、電平、駐波、溫度、柵極電壓等的自動監(jiān)控及調(diào)節(jié)。為符合聯(lián)通CDMA的通信標準，在功放電路中采用Hittite公司的HMC274QS16砷化鎵IC數(shù)控衰減器。HMC274QS16是由5位正電平控制的數(shù)控衰減器，能工作在0.7-2.7G帶寬內(nèi)，典型的插入損耗僅2.3db，高輸入IP3=54dBm，5V的單電源供電,使增益達到31db的調(diào)節(jié)范圍，1db的節(jié)步長，由ATMEGA8的5個I/O口自動控制，以提供所需衰減量。

2.2三級級聯(lián)射頻放大電路

增益級G1采用 Sirenza公司的SGA-6289單片微波集成芯片，可工作在0-4.5G帶寬內(nèi)，單電源供電，已匹配至50歐姆，功率增益G=13.9db，輸出功率1db壓縮點P1db=18.1dbm，三階截止點OIP3=34.4dbm。G2采用Motorola公司的MW4IC915,其內(nèi)部采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有較寬的帶寬與線性度。G3采用Motorola公司的MRF9060作為功率輸出級。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，含溫度檢測電路。在該電路中，微帶線Z2-Z6與兩個高Q電容一起構(gòu)成G2與G3之間匹配網(wǎng)絡(luò)[3],在電源線與三個漏級之間分布鐵氧體磁珠 (Ferrite Bead) F1、F2，它比普通的電感有更好柵極與地之間應(yīng)連接多個不同數(shù)量級的去耦電容，它有三個方面的作用：一是作為本電路的蓄能電容；二是濾除器件產(chǎn)生的高頻噪聲，切斷其通過供電回路進行傳播的通路；三是防止電源攜帶的噪聲對電路構(gòu)成干擾。此處采用低電壓溫度傳感器TMP36對功放電路進行溫度監(jiān)控，將其隨溫度線形上升的檢測電壓提供給數(shù)字控制芯片ATMEGA8，通過內(nèi)部編程，ATMEGA8將MW4IC915的兩個柵極設(shè)置在該溫度下達到最優(yōu)線性度的電壓Vgs1,Vgs2上。若溫度上升到一定高度，將給監(jiān)控系統(tǒng)提供溫度報警，以保護功放不被損壞。

2.3 環(huán)行器應(yīng)用及功率檢測電路

環(huán)行器用在功率放大器之后,主要作用是防止輸出失配，高功率信號反射回來損壞功放，同時還能改善輸出駐波。經(jīng)過末級功放后的輸出功率由用微帶線設(shè)計的30dbm耦合器將部分的功率耦合到正向二極管檢波電路得到直流電壓，如圖3所示，再由運算放大器經(jīng)過一定量的電壓放大得到正向檢波電壓Vf，送至單片機ATMEGA8以判斷功放輸出功率，作為自動電平控制的依據(jù)。在環(huán)行器的端口3接50歐姆的吸收負載,在輸出端失配時吸收發(fā)射回來的信號，避免負載反射回來的信號進入功放輸出端,起到保護功放的作用。同時，還把端口3的信號送入到反向檢波電路進行檢波，再由運算放大器放大得到反向檢波電壓Vr。其中正反向檢波電路均采用二極管HMSM2800,運算放大器采用ST公司的LM2902。正向電壓Vf,反向電壓Vr經(jīng)ATMEGA8處理,可以得到電壓駐波比,若失配嚴重,將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出駐波告警, 從而采取相應(yīng)的保護措施，例如中止對功放電路的饋電、增加電調(diào)衰減器的衰減量等，起到保護功放電路的作用。