带自适应控制的线性功率放大器

Linear power amplifier of Direct Amplifier Station with adaptive control

摘要: 线性功率放大器是CDMA直放站的核心模块。本文设计的带自适应控制的线性功放,其功率增益G为48±0.8dB,1db压缩点输出功率≥37dBm,带内波动≤0.8dB,互调失真IMD3≤－15dBm,IMD5≤－25dBm,输入输出端口驻波比VSWR≤1.3,增益步进衰减ATT范围为31dB,自动电平控制ALC范围为20dB,符合直放站的应用要求.

关键词: 功率放大器； 线性； 自动电平控制； 自动增益控制；

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直放站作为一种实现无线覆盖的辅助手段，用来解决盲区或将基站信号进行延伸，调配小区业务，平衡各小区的话务量，在“导频污染”地区强化主导频等等，以达到低成本扩大无线网络覆盖范围、优化网络的目的。功放是直放站的核心部件，CDMA系统的调制方式以及频谱的利用率，对功放的线性度提出了很高的要求。放大器的非线性将造成交调严重，CDMA导频信号混乱，通信质量恶化等现象[1]。

本文研制一种功能完备的，适用于生产要求的870-880M5W带自适应控制的直放站线性功率放大器。其射频电路部分分为三级放大，G1为增益级，G2为推动级,G3为输出级。射频信号经过-3db的电阻衰减网络进入自动电平控制(ALC),再由G1放大至自动增益控制(AGC)及数控衰减部分(ATT)，又由G2,G3放大接环行器到输出。数字控制部分主要由单片机ATMEGA8与数/模转换器TLC5620组成。

2电路设计与分析

2.1数字控制电路及数控衰减器

ATMEGA8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的单片机[2]。在线可编程，具有强大的外部接口性能，最多有23个可编程I/O口，可任意定义端口的输入/输出方向。TLC5620是8位的数/模转换器，使用串口通信。在本功放中的电路连接如图1所示。数控部分实现对功率、增益、电平、驻波、温度、栅极电压等的自动监控及调节。为符合联通CDMA的通信标准，在功放电路中采用Hittite公司的HMC274QS16砷化镓IC数控衰减器。HMC274QS16是由5位正电平控制的数控衰减器，能工作在0.7-2.7G带宽内，典型的插入损耗仅2.3db，高输入IP3=54dBm，5V的单电源供电,使增益达到31db的调节范围，1db的节步长，由ATMEGA8的5个I/O口自动控制，以提供所需衰减量。

2.2三级级联射频放大电路

增益级G1采用 Sirenza公司的SGA-6289单片微波集成芯片，可工作在0-4.5G带宽内，单电源供电，已匹配至50欧姆，功率增益G=13.9db，输出功率1db压缩点P1db=18.1dbm，三阶截止点OIP3=34.4dbm。G2采用Motorola公司的MW4IC915,其内部采用两级级联结构，具有较宽的带宽与线性度。G3采用Motorola公司的MRF9060作为功率输出级。其电路结构如图2所示，含温度检测电路。在该电路中，微带线Z2-Z6与两个高Q电容一起构成G2与G3之间匹配网络[3],在电源线与三个漏级之间分布铁氧体磁珠 (Ferrite Bead) F1、F2，它比普通的电感有更好栅极与地之间应连接多个不同数量级的去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为本电路的蓄能电容；二是滤除器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。此处采用低电压温度传感器TMP36对功放电路进行温度监控，将其随温度线形上升的检测电压提供给数字控制芯片ATMEGA8，通过内部编程，ATMEGA8将MW4IC915的两个栅极设置在该温度下达到最优线性度的电压Vgs1,Vgs2上。若温度上升到一定高度，将给监控系统提供温度报警，以保护功放不被损坏。

2.3 环行器应用及功率检测电路

环行器用在功率放大器之后,主要作用是防止输出失配，高功率信号反射回来损坏功放，同时还能改善输出驻波。经过末级功放后的输出功率由用微带线设计的30dbm耦合器将部分的功率耦合到正向二极管检波电路得到直流电压，如图3所示，再由运算放大器经过一定量的电压放大得到正向检波电压Vf，送至单片机ATMEGA8以判断功放输出功率，作为自动电平控制的依据。在环行器的端口3接50欧姆的吸收负载,在输出端失配时吸收发射回来的信号，避免负载反射回来的信号进入功放输出端,起到保护功放的作用。同时，还把端口3的信号送入到反向检波电路进行检波，再由运算放大器放大得到反向检波电压Vr。其中正反向检波电路均采用二极管HMSM2800,运算放大器采用ST公司的LM2902。正向电压Vf,反向电压Vr经ATMEGA8处理,可以得到电压驻波比,若失配严重,将向监控系统发出驻波告警, 从而采取相应的保护措施，例如中止对功放电路的馈电、增加电调衰减器的衰减量等，起到保护功放电路的作用。

2.4自动电平控制

该部分采用Agilent 公司的HSMP-3814 低失真PIN二极管, 偏置和控制电压分别确定为Vcc=5v,0≤Valc≤5v。R1=R2=510Ω，R3=R4=4.7KΩ，R5=51Ω，L1=L2=L3=33nh，C1=C2=47p。 R1 、R2 作为D2 、D3 的偏压回路，为了减少插入损耗，就必须使R1 、R2 的值足够大，但这样一来就要求控制电压比较高。因为频带要求不是特别宽，可在R1 、R2 和主传输线之间加一电感L1，L2来减小插入损耗。R3，R4，R5 作为二极管的匹配电阻,适当选择其参数,可在大的动态衰减范围内为串联和旁路二极管提供正确的偏置与分流,使整个网络获得较好的阻抗匹配，如图4所示。

ATMEGA8以输出功率的正向检波电压Vf为判断依据,当输入功率小时，ALC将不起控；当输出功率大于额定值时，ATMEGA8将使Valc随之增大，从而增大衰减量，保证恒定的输出功率。本电路测得，输入功率再增加20dB，输出功率应保持在2dB变化范围之内。

2.5自动增益控制

为了保证一定的增益平坦度,以及在温度变化时增益不至于大幅波动,本设计采用了自动增益控制(AGC),补偿由温度等变化带来的增益波动。ATMEGA8根据检测到的输入输出功率

自动调整其控制电平Vagc，Vagc是由数模转换器TLC5620输出再经运算放大器LM2902调整所得,电路原理图如图5所示[5]。二极管D1采用Hsmp3814的单管来实现，C1、C2、L1、R1作为D1的匹配与偏置电路。测得控制电压Vagc与衰减量（Loss）关系如表1所示。

3．电路制板与测试

本文PCB板采用FR4板材，介电常数为4.2，板厚0.8mm,双层布线。在高频板布线时，为了保证信号的完整性，应尽量注意避免阻抗不连续的发生，对特别重要的信号线或局部单元实施地线包围的措施，各类信号走线不能形成环路，地线也不能形成电流环路。每个环路都相当于一个天线,因此需要尽量减小环路的数量,环路的面积以及环的天线效应。在电源线和信号线上采用滤波来减小电磁干扰，每个集成电路块的附近设置一个高频退耦电容。为了避免电磁辐射的干扰和做到良好的传热,整个系统用金属腔体屏蔽起来。使用HP8752C网络分析仪测试带内波动与驻波比，信号发生器E4433与频谱仪HP8594测试功率与互调失真等参数，测得主要参数如表2所示。据前文所叙，功率增益如表3所示为49db，由于存在传输线损耗,测得的增益为48±0.8dB。三阶互调失真IMD3在满功率时为-15dbm，五阶互调失真IMD5≤－25dBm，完全满足CDMA的应用要求。

4 结束语

此功率放大器功能完备，控制灵活，带自适应控制系统，有较好的线性度，实现了自动增益控制及自动电平可控，驻波系数小，各项指标均符合直放站系统的使用要求，已应用于直放站通信，性能可靠，以直放站的市场容量及销售情况评估，该功放能实现80万左右的经济价值。

参考文献
[1]苏华鸿等.蜂窝移动通信-射频工程[M].北京:人民邮电出版社,2005
[2]马潮等.ATMEGA8原理及应用手册[M].北京:清华大学出版社,2002
[3]刘长军等.射频通信电路设计[M].北京:科学出版社,2005
[4]张肃文等.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,1992
[5]张静等.自适应跟踪输出控制器的设计和仿真[J].微计算机信息,2006,1-1:61-63.

本文作者创新点：用单片机的自适应控制达到较好的线性度，同时实现自动增益控制，自动电平控制等指标，本设计功能完备，具有很高的使用价值，已用于CDMA通信。

指导老师陈迪平教授的审阅意见：
作者阅读了大量文献资料，选题具有现实意义，产品已生产，满足通信行业的应用要求，设计功能完备，性能良好，文章层次清晰，文笔通顺。本文不失为一篇优秀的研究生论文。

作者简介：廖成芳（1983.10－），女，汉族，湖南大学物理与微电子科学学院硕士研究生，主要研究方向为射频集成电路。
陈迪平（1962－），男，汉族，湖南大学物理与微电子科学学院副院长，微电子学与固体电子学专业副教授，主要研究方向为电子系统及专用集成电路。
联系方式：湖南大学物理与微电子科学学院微电子实验室205室 廖成芳（收） 邮编410082