利用單個(gè)功率放大器實(shí)現(xiàn)GSM/DCS雙頻段RF前端模塊設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，射頻功率放大器是實(shí)現(xiàn)射頻信號無線傳輸?shù)年P(guān)鍵部件。由于移動通信用戶數(shù)量的增加，單一的頻率資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶通話的需求，這就要求移動通信商開辟新的頻段來擴(kuò)大用戶容量，因此多頻手機(jī)得到廣泛的應(yīng)用。多頻手機(jī)是指在同一個(gè)移動通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中能采用不同頻段進(jìn)行傳輸?shù)氖謾C(jī)。由于采用了不同頻段進(jìn)行傳輸，因此在手機(jī)中也需要應(yīng)用不同頻段的射頻功率放大器來實(shí)現(xiàn)。

目前，GSM系統(tǒng)是世界上應(yīng)用最廣泛的移動通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于GSM系統(tǒng)的射頻前端架構(gòu)主要有GSM/DCS雙頻功率放大器模塊和單刀四擲（SP4T）射頻開關(guān)模塊組合的解決方案。其中，GSM/DCS雙頻功率放大器模塊多采用將GSM和DCS兩個(gè)頻段的單頻射頻功率放大器管芯以及對應(yīng)的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和CMOS控制器封裝至一個(gè)芯片模塊，從而實(shí)現(xiàn)雙頻工作。SP4T射頻開關(guān)模塊多采用將GSM/DCS雙頻濾波器與SP4T開關(guān)管芯集成的方式。

本文提出一種新穎的射頻功率放大器電路結(jié)構(gòu)，使用一個(gè)射頻功率放大器實(shí)現(xiàn)GSM/DCS雙頻段功率放大功能，銳迪科的RDA6218就是采用這種結(jié)構(gòu)。射頻功率放大器管芯由原來的兩個(gè)減少為一個(gè)，同時(shí)此結(jié)構(gòu)射頻功率放大器及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)與CMOS控制器、射頻開關(guān)集成至一個(gè)芯片模塊，組成GSM/DCS雙頻段射頻前端模塊，如圖1所示。

圖1 GSM/DCS雙頻段射頻前端模塊示意圖。

單芯片放大器電路

本設(shè)計(jì)中的射頻功率放大器電路采用三級放大的電路形式。如圖2所示，將射頻功率放大器電路的第一級分成兩個(gè)獨(dú)立的輸入端，分別對應(yīng)于GSM和DCS功率放大頻段。然后共用第二級和第三級放大電路。在輸出端實(shí)現(xiàn)了可以同時(shí)應(yīng)用于GSM、DCS頻段的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。由于第二級和第三級為GSM和DCS兩個(gè)頻段共用的電路放大級，因此在設(shè)計(jì)此兩級電路時(shí)需要同時(shí)兼顧GSM和DCS兩個(gè)頻段的要求。

圖2、 雙頻段功率放大器電路原理圖。

本電路中第三級設(shè)計(jì)為功率放大級，在通常電池電壓供電的情況下，為使GSM頻段和DCS頻段功率輸出分別達(dá)到35dBm和33dBm,因此GSM頻段和DCS頻段的功率輸出阻抗分別設(shè)計(jì)為2Ω和3Ω。由于GSM頻段輸出功率大于DCS頻段輸出功率，因此設(shè)計(jì)第三級功率管Q3最大輸出功率達(dá)35dBm。

該電路中第二級為功率驅(qū)動級，因?yàn)樾枰瑫r(shí)覆蓋GSM和DCS兩個(gè)頻段，頻率范圍很寬，因此設(shè)計(jì)第二級放大電路采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，將工作頻率從GSM頻段拓寬至DCS頻段。同時(shí)，第二、三級級間匹配網(wǎng)絡(luò)也設(shè)計(jì)為寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)電路中，第二級和第三級的總體增益設(shè)計(jì)為25dB，頻率范圍覆蓋GSM和DCS頻段。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 第二級和第三級增益仿真結(jié)果。

由于高頻段（DCS）的增益在第二和第三級時(shí)略低，因此設(shè)計(jì)第一級放大電路時(shí)，DCS頻段第一級增益比GSM頻段第一級高約3dB。同時(shí)，在DCS頻段射頻輸入端加入濾波網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。此濾波網(wǎng)絡(luò)對GSM頻段信號起到帶阻作用，同時(shí)對DCS頻段信號起到帶通作用，加入此濾波網(wǎng)絡(luò)可有效地提高交叉隔離度。該濾波網(wǎng)絡(luò)的仿真原理圖與仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示。本設(shè)計(jì)電路GSM頻段和DCS頻段總增益仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖4 DCS頻段輸入濾波網(wǎng)絡(luò)仿真原理圖。

圖5 DCS頻段輸入濾波網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

圖6 GSM頻段總增益仿真結(jié)果

圖7 DCS頻段總增益仿真結(jié)果

高隔離射頻開關(guān)

本文設(shè)計(jì)的GSM/DCS雙頻段射頻前端模塊中，GSM/DCS雙頻段射頻功率放大器管芯的輸出端分別與GSM輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和DCS輸出匹配網(wǎng)絡(luò)連接至同一節(jié)點(diǎn)。而DCS工作頻段范圍為1710MHz~1910MHz，覆蓋了GSM頻段（880MHz~915MHz）的二次諧波頻率范圍（1760MHz~1830MHz）。因此當(dāng)GSM頻段發(fā)射選通時(shí)，GSM頻段射頻信號的二次諧波可通過共同節(jié)點(diǎn)泄漏至DCS輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，從而傳輸至天線。

雖然GSM頻段發(fā)射選通時(shí)，射頻開關(guān)DCS端為關(guān)閉狀態(tài)，但由于普通射頻開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，隔離度只有20dB左右。因此，當(dāng)GSM頻段二次諧波信號較強(qiáng)時(shí)，仍有一定功率的射頻信號通過射頻開關(guān)DCS端耦合至天線，使得GSM頻段發(fā)射時(shí)，天線端輸出的GSM頻段二次諧波信號較高，超出系統(tǒng)指標(biāo)要求。為了滿足通信系統(tǒng)要求諧波分量在-30dBm以下的要求，射頻開關(guān)的DCS端設(shè)計(jì)為高隔離結(jié)構(gòu)，當(dāng)射頻開關(guān)GSM端選通時(shí)，DCS端至天線端的隔離度高達(dá)80dB，使得GSM頻段信號的二次諧波無法通過射頻開關(guān)DCS端傳輸至天線，從而極大地降低了兩個(gè)頻段之間的射頻干擾。

本文小結(jié)

本文提出一種新穎的結(jié)構(gòu)，使用一個(gè)射頻功率放大器實(shí)現(xiàn)GSM/DCS雙頻段功率放大功能。同時(shí)將此結(jié)構(gòu)銳迪科微電子有限公司射頻功率放大器及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)與CMOS控制器、射頻開關(guān)集成至一個(gè)芯片模塊，組成GSM/DCS雙頻段射頻前端模塊，其中射頻開關(guān)采用高隔離開關(guān)設(shè)計(jì)，使得諧波滿足通信系統(tǒng)要求。本文設(shè)計(jì)的GSM/DCS雙頻段射頻前端模塊，在GSM發(fā)射模式下，模塊天線端輸出功率為33dBm，效率38%，諧波抑制-33dBm以下；DCS發(fā)射模式下，模塊天線端輸出功率為30dBm,效率30%，諧波抑制-33dBm以下。