如何應(yīng)對(duì)TD-SCDMA對(duì)射頻子系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

在3G標(biāo)準(zhǔn)中，TD-SCDMA以其智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、上行同步等多種創(chuàng)新技術(shù)特征，獲得頻譜效率高、支持不對(duì)稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、系統(tǒng)性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，也為研發(fā)工程師帶來(lái)不同于其他3G系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

具體到射頻子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上(如圖1所示)，在信號(hào)的時(shí)隙控制，多載波線性度惡化，整機(jī)的效率限制，以及多通道的增益平衡方面都需要認(rèn)真加以考量。針對(duì)TD-SCDMA射頻子系統(tǒng)內(nèi)有特殊技術(shù)要求的不同模塊，下文將分別詳細(xì)討論其設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案。

選擇開關(guān)

TD-SCDMA因其工作于時(shí)分雙工(TDD)模式，必須采用開關(guān)控制。同時(shí)，考慮到降低能耗，減少散熱以及射頻單元尺寸，也要求對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行功率控制。針對(duì)小功率器件，可采用電源開關(guān)控制的模式；針對(duì)大功率器件，可以考慮偏置控制。

圖1：TD-SCDMA射頻子系統(tǒng)框圖。

雖然開關(guān)在TD-SCDMA系統(tǒng)中是必選項(xiàng)。但是長(zhǎng)期困擾射頻工程師的問(wèn)題是----很難選到功率承受能力足夠大的開關(guān)器件，采用開關(guān)組件價(jià)格太貴。我們可以考慮兩種解決辦法。對(duì)于小功率輸出的TD-SCDMA基站，可以考慮一些新近上市的高功率單片開關(guān)，如泰科(Tyco)旗下的M/A-COM公司的MASWSS0006，其0.1dB壓縮功率可達(dá)39dBm、插損0.4dB、開關(guān)時(shí)間小于40ns。采用SOT-26封裝，非常適合TD-SCDMA應(yīng)用。

對(duì)于大功率輸出的TD-SCDMA基站，因?yàn)榉寰鹊年P(guān)系，出現(xiàn)高于10W的峰值概率增大，耐受功率達(dá)40dBm的開關(guān)也很難保證自身安全，只能棄用。我們可以考慮先采用耐受功率較大的環(huán)行器隔離收發(fā)通道，再采用普通單片開關(guān)提高隔離度的變通辦法同樣可以達(dá)到系統(tǒng)的要求。

功率放大器

傳統(tǒng)移動(dòng)通訊系統(tǒng)，多數(shù)工作在連續(xù)波狀態(tài)。而TD-SCDMA則必須工作于開關(guān)狀態(tài)。因此，一直習(xí)慣于設(shè)計(jì)連續(xù)波功率放大器(ＰＡ)的工程師不由得擔(dān)心，他們一直使用的LDMOS功率器件在TD-SCDMA系統(tǒng)上的表現(xiàn)。例如，在開關(guān)狀態(tài)時(shí)是否可行？其開關(guān)時(shí)間是否低于系統(tǒng)要求值？如何實(shí)施功率器件的開關(guān)控制？這些問(wèn)題，經(jīng)過(guò)器件廠家及用戶的研究及實(shí)用，正在逐漸明晰。首先，LDMOS器件是可以正常使用于開關(guān)狀態(tài)，其開關(guān)響應(yīng)時(shí)間基本在幾十納秒量級(jí)，完全不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度造成很大影響。

圖2：MW6IC2240N在六載波TD-SCDMA條件的輸出線性。

當(dāng)然，事情不可一概而論，有一類特殊的器件――LDMOS線性模塊，因?yàn)槠鋬?nèi)部的大容值去耦電容較長(zhǎng)的充放電時(shí)間影響了器件開關(guān)響應(yīng)速度，除非采用了針對(duì)開關(guān)狀態(tài)的特殊處理，一般無(wú)法正常工作于TD-SCDMA系統(tǒng)中。而LDMOS的單管和IC，基本都可以在設(shè)計(jì)中考慮。具體的開關(guān)控制點(diǎn)，選在器件的柵極和漏極只有微小差別。但是，考慮到漏極通過(guò)電流大，對(duì)控制器件要求高，一般會(huì)選在柵極作開關(guān)控制點(diǎn)。

目前的TD-SCDMA系統(tǒng)，考慮到用戶容量，頻譜效率，其復(fù)雜程度正逐步提升。四載波，六載波正漸漸取代三載波配置成為主流。系統(tǒng)對(duì)PA的線性度，效率要求也水漲船高。傳統(tǒng)器件已力不從心，因此新型高線性，高效率器件紛紛被推出，以滿足TD-SCDMA日益嚴(yán)苛的需求。目前對(duì)六載波TD-SCDMA的線性度(ACLR)要求已達(dá)到-43dBc@1.6MHz、-48dBc@3.2MHz。在達(dá)到線性輸出的同時(shí)，整機(jī)效率則要求達(dá)到12%。這無(wú)疑對(duì)射頻通道，尤其是PA的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。設(shè)計(jì)師不得已采用了預(yù)失真等線性化技術(shù)來(lái)平衡這兩個(gè)指標(biāo)的矛盾。同時(shí)，采用新方案、選取新器件也是必需的。

飛思卡爾公司的MW6IC2240N就是候選者之一。頻率范圍2,010~2,025MHz，其輸出1dB壓縮功率可達(dá)40W，增益為28dB。相比第四代的MW4IC2230N，這顆六代器件輸出能力更強(qiáng)，功率附加效率(PAE)高達(dá)15%(線性輸出)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由三級(jí)改為兩極，不但簡(jiǎn)化了柵壓控制，也減輕了由此引起的溫度漂移大的問(wèn)題。圖2所示為MW6IC2240N在六載波TD-SCDMA條件的輸出鄰道抑制(ACLR)特性，由此可見，設(shè)計(jì)者應(yīng)著重考慮ALT指標(biāo)對(duì)線性度的限制。

另外，英飛凌公司的PTF210451E因其單管的調(diào)節(jié)靈活性，也可作為末級(jí)的解決方案。TF210451E在六載波TD-SCDMA條件的輸出線性及效率如圖3所示。

圖3：PTF210451E在六載波TD-SCDMA條件的輸出線性及效率。

驅(qū)動(dòng)放大器

驅(qū)動(dòng)放大器包含從毫瓦到瓦級(jí)的功率驅(qū)動(dòng)放大。因?yàn)槠漭敵龉β氏鄬?duì)PA級(jí)小，耗電電流相應(yīng)較小，其時(shí)隙控制點(diǎn)可以考慮在電源端。驅(qū)動(dòng)放大器較末級(jí)來(lái)說(shuō)，功率余量大，只要器件輸出線性相對(duì)末級(jí)保證足夠余量，效率不要太低，都可以在考慮范圍內(nèi)。倒是高增益，高線性的放大器目前普遍為工程師所青睞。

WJ公司推出的AH212增益可達(dá)25.5dB、輸出1dB壓縮功率可達(dá)1W、OIP3可達(dá)48dBm，以其5V/400mA供電，SOIC-8封裝方便了中國(guó)工程師的使用。M/A-COM公司最新推出的MAAMSS0058增益同樣可達(dá)25dB，輸出1dB壓縮功率可達(dá)2W、OIP3可達(dá)47dBm。

WJ公司的一款A(yù)P501憑借獨(dú)特的高壓HBT工藝，將器件調(diào)整到AB近A類的工作點(diǎn)，具有優(yōu)異的回退或線性輸出特性。AP501增益30dB，以其輸出1dB壓縮功率4W，即可達(dá)到25.5dBm(ACLR@-50dBc)的WCDMA輸出。并且，其低成本的金屬模塊封裝(如圖4所示)，特別針對(duì)開關(guān)狀態(tài)的調(diào)校特性都很適合TD-SCDMA小功率末級(jí)或大功率末前級(jí)的應(yīng)用。

圖4：AP501封裝圖。

衰減器

TD-SCDMA特有的智能天線技術(shù)，在多個(gè)傳輸通道(一般為8個(gè))傳送不同相位的射頻信號(hào)在空中形成合成波束，達(dá)到空間分集的效果。因此，其系統(tǒng)基本要求就是各個(gè)射頻通道的一致性。實(shí)際工作環(huán)境顯然無(wú)法完全滿足這個(gè)要求，設(shè)計(jì)工程師只能通過(guò)選擇一致性較好的射頻器件以及精準(zhǔn)的幅度調(diào)整來(lái)完成系統(tǒng)的通道調(diào)節(jié)任務(wù)(相位調(diào)整通常由基帶部分完成)。

Peregrine公司推出了5bit、6bit、30dB衰減的PE4306、PE4302，以獨(dú)特的射頻CMOS工藝，提供了業(yè)界最高的衰減精度水準(zhǔn)(如圖5所示)。并且其串/并接口共片，衰減值上電設(shè)定到位的功能對(duì)壓縮布版尺寸，快速準(zhǔn)確設(shè)定幅度都有實(shí)際的好處。

圖5：PE4302與其它品牌衰減器的衰減精度對(duì)比。

混頻器/變頻模塊

每個(gè)TD-SCDMA基站都有多個(gè)射頻通道，并且通常將射頻通道直接外掛在室外天線下面。系統(tǒng)對(duì)射頻通道的尺寸/重量，成本及散熱提出嚴(yán)格要求，因此多功能，高集成度的器件對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)有著不同于其它移動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn)的意義。

WJ公司的ML401以0dBm的本振電平，即可達(dá)到+17dBm電平才能達(dá)到的+35dBm輸入三階截點(diǎn)(IIP3)性能，省略了兩只本振驅(qū)動(dòng)放大器。

更有意義的產(chǎn)品是WJ公司的CV2xx/CV1xx系列雙/單路變頻模塊(如圖6所示)。它集成了一到兩路收/發(fā)混頻電路，將多達(dá)六個(gè)分立的混頻器、本振放大器、射頻放大器、中頻放大器集成到一個(gè)器件中，大大提高了系統(tǒng)可靠性，降低了產(chǎn)品尺寸及成本。目前，這一個(gè)系列產(chǎn)品已在摩托羅拉、諾基亞等國(guó)外基站中大量使用。相信它也會(huì)成為TD-SCDMA系統(tǒng)中緊湊設(shè)計(jì)的利器。

圖6：CV2xx/CV1xx系列雙/單路變頻模塊框圖。

綜上所述，TD-SCDMA因其獨(dú)特技術(shù)特征，在射頻子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中針對(duì)開關(guān)控制、線性度和效率等方面有其特殊考慮。但在實(shí)際應(yīng)用中，仍然有許多需要完善的地方，有待工程師去研究、探索。