基于LDMOS的TD-SCDMA射頻功率放大器

　　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?。环粗?，對EVM的惡化就越大。測試中還發(fā)現(xiàn)，如果上升時間過長，甚至可能導致信號無法解調(diào)。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(lián)系。

　　根據(jù)TD-SCDMA相關(guān)規(guī)范，要求收、發(fā)切換時開關(guān)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(guān)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(guān)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(zhì)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(chǎn)生削波現(xiàn)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(jīng)結(jié)束，即功放開關(guān)已經(jīng)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(xiàn)開關(guān)的提前打開控制并不困難，本文對此不作論述。至于開關(guān)打開的提前量設為多少比較合適，則要根據(jù)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(guān)的上升時間為1.5us時，改變開關(guān)打開的提前量，得到相應情況下的EVM數(shù)值如圖7所示。

　　由圖7可見，當功放開關(guān)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?。划旈_關(guān)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(shù)值則下降到與常開模式下的EVM數(shù)值完全相同的水平；若繼續(xù)增大開關(guān)打開的提前量，EVM則保持不變。由此可知，當功放開關(guān)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(jīng)處于完全打開的狀態(tài)，瞬態(tài)響應已經(jīng)結(jié)束，也就不會產(chǎn)生對信號的削波現(xiàn)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?？紤]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(guān)完全關(guān)斷與下行(或上行)開關(guān)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(guān)的提前打開來減小EVM的惡化，開關(guān)打開的提前量也是嚴格受限的。例如：由于下行開關(guān)的打開提前量過大可能造成上行還未完全關(guān)斷時，上行就已經(jīng)打開的情況，此時上、下行同時工作，很容易產(chǎn)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(guān)的開關(guān)速度以及上下行功率開關(guān)的打開提前量和關(guān)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(guān)的打開速度夠快的前提下(小于2?滋s)，通過開關(guān)的提前開啟(開關(guān)的打開提前量不小于開關(guān)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(guān)的瞬態(tài)響應并不會使信號質(zhì)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(guān)打開時間的限制，即開關(guān)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(guān)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(guān)的打開速度以及實現(xiàn)功放開關(guān)的提前打開。給出了具體的建議：功放開關(guān)的上升時間小于2?滋s；功放開關(guān)打開的提前量不小于功放開關(guān)的上升時間。經(jīng)檢測表明，基于本文理論實現(xiàn)的功率放大器在 TD-SCDMA無線設備中和整個TD-SCDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡中都能正常工作，并且性能良好。

　　參考文獻

　　[1] HE Song Bai.Microwave oscillator phase noise requirement for TD-SCDMA wireless communication systems.Journal of Electronic Science and Technology of China，June 2007，5(2)：111.

　　[2] ROTELLA F M，MA G，YU Z，et al.Modeling，analysis，and design of RF LDMOS devices using harmonic-balance device simulation.Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions，June 2000，48(6)：991-999.

　　[3] VOELKER K.Apply error vector measurements in communications design.Microwaves RF，1995：143-152.

　　[4] YOON S W.Static and dynamic error vector magnitude behavior of 2.4GHz Power amplifier.Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions，April 2007，55(4)：643-647.

　　[5] 李世鶴.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)標準.北京：人民郵電出版社，2003：48-58.