高定向性耦合器在手機(jī)功率放大器控制中的應(yīng)用

在RF的應(yīng)用中，定向性耦合器被用來(lái)在傳播方向上分離信號(hào)。在輔助臂(耦合線路)上感應(yīng)的電波與在發(fā)射系統(tǒng)(主線路)中傳輸?shù)那跋螂姴ǔ杀壤?。感?yīng)能量與輸入能量的比值被稱為耦合因子。

　　定向性的定義是：當(dāng)能量的傳輸發(fā)生在要求的方向上時(shí)，在一個(gè)耦合端口處的能量輸出，與當(dāng)同等大小的能量傳輸發(fā)生在相反的方向上時(shí)，在相同的耦合端口上能量輸出的差別(單位為dB)。

　　耦合因子＝10log(P2/P1)

　　這里，P1是輸入能量，P2是耦合的能量。

　　定向性=10log(P2/P2R)

　　這里，P2是為前向信號(hào)提供的耦合能量，P2R是為逆向信號(hào)提供的耦合能量(圖1)。

圖1：(a) 前向、(b) 逆向定向性耦合器示意圖。

　　定向性(dB)=絕緣(dB)-耦合(dB)

　　有限隔離是有限的定向性產(chǎn)生的原因。能量計(jì)通過測(cè)量在耦合端口處的一個(gè)定向性耦合器的輸出，來(lái)測(cè)量在傳輸線路中的能量值。這一輸出受耦合因子的影響。在主線路中反射的能量將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)測(cè)量誤差(定向性誤差)。能量測(cè)量的精確度可以通過消除反射信號(hào)，或者通過使用高定向性耦合器來(lái)提高。

　　手機(jī)中的能量控制

　　手機(jī)通過連接到RF電路的天線來(lái)接受和發(fā)射信號(hào)(圖2)。在3G頻段，WCDMA調(diào)制將使可變信號(hào)放大。通常情況下，可變信號(hào)放大能使本來(lái)平均的輸出能量達(dá)到一個(gè)峰值(超過3dB)，以覆蓋一個(gè)被256個(gè)用戶共同使用的帶寬為5MHz的通道。手機(jī)的輸出能量等級(jí)可通過基站調(diào)節(jié)，這要求來(lái)自手機(jī)的在同一個(gè)通道中傳輸?shù)乃猩闲芯€信號(hào)，能在精確度小于1dB的范圍內(nèi)被接收。如果不能滿足這個(gè)要求，則會(huì)由于信號(hào)過弱而導(dǎo)致通話被中斷，也就是說(shuō)，來(lái)自用戶的服務(wù)感知等級(jí)很低。

圖2：基本的GSM+3G無(wú)線電功能方框圖。

　　與之形成鮮明對(duì)比的是，GSM波段采用TDMA標(biāo)準(zhǔn)，且伴有GMSK型信號(hào)調(diào)制，這里的移動(dòng)用戶成為在給定時(shí)間間隙和通道內(nèi)的唯一用戶。這意味著可以忽略較差的能量控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，因?yàn)樗鼘?duì)其他用戶的影響非常小。

　　高定向性耦合器的執(zhí)行

　　密集天線環(huán)境中的任何改變都可能導(dǎo)致匹配不當(dāng)，并且在某些特定場(chǎng)合，還會(huì)增加反射能量。我們將考慮的最大VSWR值是6比1，該值發(fā)生在最壞情況下，例如當(dāng)天線不能被打開時(shí)。

　　為發(fā)射前向信號(hào)并過濾掉所有由于匹配不當(dāng)而導(dǎo)致的、來(lái)自天線的逆向信號(hào)，必須在PA輸出和天線之間插入隔離器。輸入和輸出之間的阻抗值是 50Ω。大多數(shù)情況下都我們都希望去除隔離器，原因如下：隔離器體積太大，并且占據(jù)主要的PCB；隔離器的造價(jià)太高；隔離器會(huì)帶來(lái)很大的插入損失(一般情況下高于0.7dB)；隔離器對(duì)溫度非常敏感，并容易老化。

　　如今已開發(fā)出的耦合器解決方案可用于監(jiān)測(cè)在能量控制應(yīng)用中的PA輸出信號(hào)，并且這項(xiàng)技術(shù)還可用來(lái)監(jiān)測(cè)由于天線不匹配而產(chǎn)生的傳輸能量和發(fā)射能量 (圖3)。

圖3：在一定向性耦合器下的能量控制。

　　“Vi/Vr”方法在監(jiān)測(cè)中既包含對(duì)事件的監(jiān)測(cè)，也包含對(duì)反射能量的監(jiān)測(cè)。當(dāng)在天線處探測(cè)過量的VSWR時(shí)，輸出能量將被減少到一個(gè)值，而這個(gè)值應(yīng)盡可能地接近目標(biāo)能量。

　　帶有標(biāo)準(zhǔn)定向性耦合器(低于10dB)的Vi/Vr方法的執(zhí)行，并不那么切合實(shí)際，這是因?yàn)椋?1)每個(gè)輸出方向必須有1個(gè)耦合器；(2)它的控制精確度非常差；(3)成本很高，應(yīng)用起來(lái)非常復(fù)雜。

　　具有高定向性(高于15dB)的耦合器和均勻性能對(duì)監(jiān)測(cè)入射能量信號(hào)和反射能量信號(hào)非常關(guān)鍵，它們能增加能量控制電路的精確度，并允許使用單個(gè)的耦合器。

　　單個(gè)微型AVX寬頻高定向性耦合器既可以探測(cè)到Vi，又可以探測(cè)到Vr，它允許利用被測(cè)的入射能量與反射能量的比值來(lái)精確控制輸出能量。

　　但需要注意的是，這一比值是獨(dú)立于耦合因子精確度的(只要探測(cè)器收到的信號(hào)足夠多)，但如表所示，它對(duì)定向性的依賴性非常強(qiáng)。

　　表：能量控制精確度。

AVX高定向性耦合器

　　開發(fā)AVX高定向性耦合器的目的是為了滿足這一應(yīng)用領(lǐng)域的迫切要求。在一個(gè)很小的物理空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高定向性非常困難。通過從電場(chǎng)和磁場(chǎng)獲得平衡作用，并精確地應(yīng)用相計(jì)算，可以大大優(yōu)化耦合器定向性。

　　AVX采用了金屬陰極濺鍍、平版印刷術(shù)以及電鍍等半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝技術(shù)。這些技術(shù)使得金屬傳導(dǎo)器具有精確的幾何尺寸。

　　CP0402和CP0603系列的AVX高定向性耦合器基于薄膜多層技術(shù)，具有非常出色的高頻率性能以及堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，這使得自動(dòng)化裝配變得非?？煽?。

　　耦合器可以應(yīng)用到一個(gè)非常寬的頻帶范圍內(nèi)，而且很容易得到中間耦合值。某些高定向性耦合器型號(hào)具有如下的特性：頻率范圍從400MHz到高于 6GHz、耦合因子從8.5dB到27.5dB@1950MHz。

圖4：AVX耦合器的細(xì)微金屬元素。

　　執(zhí)行上述的輸出能量控制技術(shù)，我們可以獲得以下幾個(gè)方面的好處：可大大增長(zhǎng)手機(jī)的通話時(shí)間；PA輸出能量可以被精確控制；不再需要隔離器；成本降低；在PA和天線間的插入損失被減少到最小值；PCB的高度和尺寸減??；I損耗很低(0.2dB)；導(dǎo)向性很高(超過20dB)等等。