基于LDMOS的TD-SCDMA射頻功放設計

TD-SCDMA(時分同步碼分多址接入)是第三代移動通信三大主流標準之一，是我國具有自主知識產權的通信標準，它標志著中國在移動通信領域已經進入世界先進行列，目前，TD-SCDMA的商用化進程正在順利地進行之中[1]。TD-SCDMA系統(tǒng)采用的是QPSK/8PSK調制，在高速的數據傳輸應用中，更是采用了如16QAM這樣的調制方式。這些調制方式都屬于非恒包絡調制。由于調制信號在幅度和相位上都存在誤差，用單純的相位誤差和頻率誤差已不足以反映信號的調制精度，于是引入了誤差矢量幅度（EVM）指標來衡量傳輸信號的質量。在現代移動通信系統(tǒng)中，EVM是衡量射頻功率放大器性能的重要指標之一[2-3]。在頻分雙工模式的移動通信系統(tǒng)中，由于收發(fā)信的頻率是不同的，因此射頻功率放大器與接收機同時處于工作狀態(tài)，影響射頻功率放大器EVM性能的主要因素是功率放大器的非線性特性以及傳輸信號的峰均比等。而在TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)中，由于采用時分雙工模式，收發(fā)信機不能同時工作，即用于發(fā)射信號的射頻功率放大器根據系統(tǒng)要求分時工作[4]。除上述因素會影響射頻功率放大器的EVM指標，本文通過對基于 Freescale 生產的LDMOS 晶體管MW6IC2240構成的射頻功率放大器研究，以及建立相應的電路模型，主要研究了射頻功率放大器的瞬態(tài)響應上升時間對其EVM性能的影響，根據仿真和測試結果，得到在TDD模式下影響射頻功率放大器EVM性能的電路參數，提出了改進的TD-SCDMA射頻功率放大器電路系統(tǒng)設計，其EVM性能接近頻分雙工模式下的性能。

　　TD-SCDMA射頻功率放大器

　　TD-SCDMA不同于WCDMA、CDMA2000等第三代移動通信體制，它采用了TDD模式，它的接收和發(fā)射是在同一個頻率下分時進行的，這就需要用開關來保證通信系統(tǒng)收發(fā)信號的正常切換。因此，時分雙工模式下的TD-SCDMA射頻功率放大器也不同于WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)中的射頻功率放大器的工作狀態(tài)，而是工作在時分雙工模式下，即只在系統(tǒng)發(fā)射信號的時隙內工作，在其他時隙內必須關閉，以避免系統(tǒng)自激。這不僅保證了系統(tǒng)的有序運行，也提高了系統(tǒng)效率和頻譜利用率。

　　射頻功率放大器的工作狀態(tài)是由其偏置來決定的。如果給功率放大器加一個固定的偏置電壓，則其一直處于導通狀態(tài)，這里定義為常開模式；而要使功率放大器工作在時分雙工模式下，可以通過控制功率放大器柵極偏置電壓來實現，該控制信號根據TD-SCDMA的物理信道信號特點來產生。

　　這里用Freescale的LDMOS功率放大晶體管MW6IC2240設計了一個輸出功率為2W的三載波TD-SCDMA功率放大器。MW6IC2240的功能框圖如圖1所示，它包含了兩級放大，其飽和輸出功率大于40W。

　　圖1中的VDS1和VDS2是功率放大器的漏極供電，這里加28V的固定電壓；VGS1和VGS2則是功率放大器柵極供電端，分別給其加上固定電壓和受系統(tǒng)控制的偏置電壓就能使其分別工作于常開模式和時分雙工模式。通過實際測試，其常開模式和時分雙工模式下的EVM指標如圖2所示。

　　從圖2中可以看出，隨著輸出功率的增大，EVM指標不斷惡化，這是由于隨著輸出功率接近功率放大器的1dB壓縮點，非線性失真開始明顯增大，非線性失真則會嚴重地影響EVM指標，這在其他許多文章中都有報道；這里主要研究功率放大器在時分雙工模式下(即正常工作模式）的EVM值總是比常開狀態(tài)下的EVM值大，即功率放大器在時分雙工模式下工作對信號有所惡化，由圖2可以看出，功率放大器處于時分雙工模式下的EVM值比常開模式時高大約0.5%（此時時分雙工方式下功率放大器的瞬態(tài)響應上升時間為1.5us）。下面主要分析產生這種差異的原因。

　　功率放大器的瞬態(tài)響應對EVM影響分析

　　功率放大器在時分雙工模式下與TD-SCDMA信號幀特點密切相關。TD-SCDMA的一個子幀的長度為5ms，由7個常規(guī)時隙和3個特殊時隙組成，如圖3所示。這里主要考慮常規(guī)時隙：在TDMA信道上一個時隙中的信息格式稱為突發(fā)，TD- SCDMA系統(tǒng)采用的突發(fā)結構如圖3所示，突發(fā)由兩個長度分別為352chip的數據塊、一個長度為144chip的中間碼和一個長度為16chip的保護時隙（GP）組成[5]。

　　由圖3可知，TD-SCDMA的常規(guī)時隙的最前面就是一個352chip的數據塊，其中包括了許多TD-SCDMA信號的系統(tǒng)信息。而射頻功率放大器對柵極輸入的脈沖偏置方波電壓總有一個瞬態(tài)響應，特別是上升時間的影響。于是產生了對TD-SCDMA信號削波的現象，會造成部分數據符號丟失，因此造成對 TD-SCDMA傳輸信號EVM指標的惡化。如圖2中的時分雙工模式下EVM指標就是在偏置電壓上升時間為1.5us情況下的測試數據。

　　功率放大器的瞬態(tài)響應不僅與器件本身有關，還與偏置電路的設計密切相關。為了更好地分析功率放大器的瞬態(tài)響應，這里根據晶體管的模型用二階R-C網絡來等效分析功率放大器的瞬態(tài)響應，如圖4所示。其中，C1、R1、R2代表功率晶體管的等效參數；而C2、R3、R4則是功率放大器的供電電路參數。當功率放大器打開時，控制開關J1的3腳與1腳相連，電源V1對電容進行充電，可見電路的上升時間不僅與功率晶體管的電容C1有關，還與供電電路的濾波電容C2和電阻R4有關。在實際的應用中，R4一般選取10?贅，而由于上升時間不能太大，濾波電容只能選擇pF量級的。但功率放大器關斷時，開關J1的3腳與2腳相連，此時電路通過阻值很小的電阻R3來放電，從而保證功率放大器的瞬態(tài)響應下降時間足夠短。

　　功率放大器瞬態(tài)響應上升時間與圖4中的C1、R1和R4密切相關，其中C1和R1是管子內部的參數，由所使用的功率晶體管型決定；而R4與偏置電路有關，可以通過改變R4的大小來改變整個功率放大器的瞬態(tài)響應。圖5就是在R4的不同阻值下的功率放大器電路的瞬態(tài)響應。從圖中可以看出，當R4=10Ω時，功放的柵極偏置電壓的上升時間為0.6us；當R4=20Ω時，上升時間變?yōu)?.1us；當R4=30Ω時，上升時間為1.6us。也就是說，隨著電阻R4 阻值的增大，功率放大器柵極偏置電壓的上升時間也隨之增大。

圖6給出了偏置電路中R4不同取值時功率放大器的EVM測試值。從圖6可以看出，偏置電壓上升得越快，對EVM的惡化越??；反之，對EVM的惡化就越大。測試中還發(fā)現，如果上升時間過長，甚至可能導致信號無法解調。由此可見，功率放大器瞬態(tài)響應的上升時間與EVM確實有著必然的聯系。

　　根據TD-SCDMA相關規(guī)范，要求收、發(fā)切換時開關的上升時間必須小于2?滋s，這正是從保護信號完整傳輸和避免EVM指標惡化這方面來考慮的。而通過選擇合適的功率放大器晶體管并設計合適放大器的偏置電路和開關控制信號，完全可以滿足國家提出的標準，甚至可以使得開關的上升時間小于1us。

　　功率放大器偏置電壓控制信號設計

　　如圖6所示，即使功率放大器的瞬態(tài)響應上升時間小至1us，放大器工作在時分雙工模式時的EVM仍然大于1.2%，仍然大于功率放大器處于常開模式下的 EVM指標，即功率放大器的瞬態(tài)響應仍然對信號質量造成了惡化。顯然，由于功率放大器本身以及偏置電路的影響，功率放大器的瞬態(tài)響應上升時間不可能為零，因此不可避免地會產生削波現象，從而惡化EVM指標。

　　為了避免功率放大器的瞬態(tài)響應上升時間對EVM的影響，就必須保證在TD-SCDMA信號到來時，功放的瞬態(tài)響應已經結束，即功放開關已經完全打開。因此，必須把功放的打開時間提前。由于TD-SCDMA系統(tǒng)是一個同步系統(tǒng)，具有統(tǒng)一的時鐘參考和同步控制，因此實現開關的提前打開控制并不困難，本文對此不作論述。至于開關打開的提前量設為多少比較合適，則要根據具體的功放電路的瞬態(tài)響應速度來決定。實驗中，當功放開關的上升時間為1.5us時，改變開關打開的提前量，得到相應情況下的EVM數值如圖7所示。

　　由圖7可見，當功放開關不提前打開時，EVM值大于1.5%；而隨著打開提前量的逐漸增加，EVM的值也逐漸減小；當開關打開的提前量增加到與該功放打開的上升時間相當時(本例中為1.5us)，EVM數值則下降到與常開模式下的EVM數值完全相同的水平；若繼續(xù)增大開關打開的提前量，EVM則保持不變。由此可知，當功放開關打開的提前量不小于功放本身的打開上升時間時，功放在TD-SCDMA信號到來時就已經處于完全打開的狀態(tài)，瞬態(tài)響應已經結束，也就不會產生對信號的削波現象，自然也就不會對EVM有額外的惡化。

　　由圖3可以看出，在TD-SCDMA常規(guī)時隙之間，只有12.5us的保護間隔（GP），也就是在上、下行切換的可變切換點，只有12.5us的上、下行保護時間。考慮到必須保證上、下行之間要有很好的隔離效果來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，國家規(guī)定上行(或下行)開關完全關斷與下行(或上行)開關開始打開之間必須有大于3us的保護時間；而且TD-SCDMA收發(fā)設備本身還可能有3?滋s～5?滋s的延時。因此即使可以通過開關的提前打開來減小EVM的惡化，開關打開的提前量也是嚴格受限的。例如：由于下行開關的打開提前量過大可能造成上行還未完全關斷時，上行就已經打開的情況，此時上、下行同時工作，很容易產生自激等不穩(wěn)定的后果，造成系統(tǒng)故障。因此，國家對上下行之間的保護時間、上下行功率開關的開關速度以及上下行功率開關的打開提前量和關閉滯后量都有明確而嚴格的規(guī)定，這里不作具體介紹。從上面的分析可以看出，在開關的打開速度夠快的前提下(小于2?滋s)，通過開關的提前開啟(開關的打開提前量不小于開關打開 的上升時間)可以使得功放在時分雙工模式下的EVM指標達到常開模式下的水平，即此時開關的瞬態(tài)響應并不會使信號質量惡化，功放能夠良好運行。

　　本文分析了TD-SCDMA功率放大器的EVM指標在時分雙工模式下和常開模式下的區(qū)別。通過對功放的瞬態(tài)響應解釋了功放在時分雙工模式下對EVM的惡化主要來自于功率開關打開時間的限制，即開關打開時間越長，對EVM造成的惡化越大。為了深入地分析功放的瞬態(tài)響應，本文建立了一個二階R-C模型，介紹了制約功放瞬態(tài)響應的相關因素。最后，提出了改善TD-SCDMA功率放大器時分雙工模式EVM指標的方案：提高功放開關的打開速度以及實現功放開關的提前打開。給出了具體的建議：功放開關的上升時間小于2?滋s；功放開關打開的提前量不小于功放開關的上升時間。經檢測表明，基于本文理論實現的功率放大器在 TD-SCDMA無線設備中和整個TD-SCDMA系統(tǒng)網絡中都能正常工作，并且性能良好。