高定向性耦合器在手機功率放大器控制中的應用

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

　　定向性的定義是：當能量的傳輸發(fā)生在要求的方向上時，在一個耦合端口處的能量輸出，與當同等大小的能量傳輸發(fā)生在相反的方向上時，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是為前向信號提供的耦合能量，P2R是為逆向信號提供的耦合能量(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。能量計通過測量在耦合端口處的一個定向性耦合器的輸出，來測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產(chǎn)生一個測量誤差(定向性誤差)。能量測量的精確度可以通過消除反射信號，或者通過使用高定向性耦合器來提高。

　　手機中的能量控制

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

圖2：基本的GSM+3G無線電功能方框圖。

　　與之形成鮮明對比的是，GSM波段采用TDMA標準，且伴有GMSK型信號調(diào)制，這里的移動用戶成為在給定時間間隙和通道內(nèi)的唯一用戶。這意味著可以忽略較差的能量控制對網(wǎng)絡的影響，因為它對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致匹配不當，并且在某些特定場合，還會增加反射能量。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，例如當天線不能被打開時。

　　為發(fā)射前向信號并過濾掉所有由于匹配不當而導致的、來自天線的逆向信號，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；隔離器的造價太高；隔離器會帶來很大的插入損失(一般情況下高于0.7dB)；隔離器對溫度非常敏感，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)測在能量控制應用中的PA輸出信號，并且這項技術還可用來監(jiān)測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)測中既包含對事件的監(jiān)測，也包含對反射能量的監(jiān)測。當在天線處探測過量的VSWR時，輸出能量將被減少到一個值，而這個值應盡可能地接近目標能量。

　　帶有標準定向性耦合器(低于10dB)的Vi/Vr方法的執(zhí)行，并不那么切合實際，這是因為：(1)每個輸出方向必須有1個耦合器；(2)它的控制精確度非常差；(3)成本很高，應用起來非常復雜。

　　具有高定向性(高于15dB)的耦合器和均勻性能對監(jiān)測入射能量信號和反射能量信號非常關鍵，它們能增加能量控制電路的精確度，并允許使用單個的耦合器。

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

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

　　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用領域的迫切要求。在一個很小的物理空間內(nèi)實現(xiàn)高定向性非常困難。通過從電場和磁場獲得平衡作用，并精確地應用相計算，可以大大優(yōu)化耦合器定向性。

　　AVX采用了金屬陰極濺鍍、平版印刷術以及電鍍等半導體生產(chǎn)工藝技術。這些技術使得金屬傳導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，具有非常出色的高頻率性能以及堅固的結構，這使得自動化裝配變得非常可靠。

　　耦合器可以應用到一個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耦合器的細微金屬元素。

　　執(zhí)行上述的輸出能量控制技術，我們可以獲得以下幾個方面的好處：可大大增長手機的通話時間；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的高度和尺寸減小；I損耗很低(0.2dB)；導向性很高(超過20dB)等等。