手機射頻功率控制環(huán)路設計

手機射頻功率控制環(huán)路設計

北京天碁科技有限公司

　　為了保證系統(tǒng)的容量及互操作性，GSM系統(tǒng)規(guī)范對發(fā)射功率的精度、平坦度、發(fā)射頻譜純度以及帶外雜散信號進行了嚴格的規(guī)定，對手機放大器功率控制環(huán)路的設計提出了很高的要求。本文介紹了功率反饋控制法和電流檢測反饋控制法，并對第一種方法給出了詳細的設計步驟。

　　GSM系統(tǒng)為時分多址(TDMA)系統(tǒng)，不同的用戶在時間軸上被分隔開，每個用戶在特定的一個時間間隔(時隙)內接收或發(fā)送信息。TDMA系統(tǒng)的該特性極大地提高了頻譜利用率，同時也對移動臺射頻前端的設計提出了極大的挑戰(zhàn)。GSM系統(tǒng)要求移動臺的發(fā)射機以突發(fā)方式工作，即只在規(guī)定的時隙內開機發(fā)送信息，而在其它時隙則處于關閉狀態(tài)。這種開關工作狀態(tài)會使發(fā)射頻譜內含有大量的雜散分量，嚴重影響其他用戶。為保證系統(tǒng)容量和互操作性，必須對移動臺發(fā)射機的指標提出要求，這在ETSI GSM 11.10系列規(guī)范中都有規(guī)定。

　　圖1 PVT 功率--時間模板

　　為了達到規(guī)范要求，移動臺發(fā)射機信號的上升沿和下降沿不能過于陡峭，而必須是一個緩升和緩降的過程，如圖1所示。圖中最上及最下兩條曲線稱為功率--時間模板，在測試時發(fā)射信號在每個時隙的功率--時間關系曲線不能超越這個模板，否則發(fā)射頻譜純度將不能滿足要求，或者會丟失發(fā)射信息。中間曲線為射頻功放的增益控制電壓，由系統(tǒng)控制單元給出，用以控制射頻輸出功率。這要求能對發(fā)射機中的射頻功率放大器實現(xiàn)精確的功率控制，同時，GSM移動臺發(fā)射機根據(jù)系統(tǒng)要求也要能工作于幾個功率等級上，這也要求精確的功率控制，為此必須采用反饋控制環(huán)路。實現(xiàn)功率控制的方法較多，比較常用的為輸出功率檢測反饋控制法，該方法直接檢測射頻輸出功率，通過反饋環(huán)路實現(xiàn)閉環(huán)功率控制。另外一種方法為電流檢測反饋控制法，它檢測末級功放管的電流，再通過反饋環(huán)路實現(xiàn)對輸出功率的控制。

　　輸出功率檢測反饋控制法

　　圖2 功率控制環(huán)路的數(shù)學模型

　　為便于分析，首先給出功率控制環(huán)路的數(shù)學模型，如圖2所示。

　　該反饋控制系統(tǒng)由五大部分組成：

　　1. 比較器：該部件負責比較由系統(tǒng)指令單元送出的控制信號SC與反饋信號SF之間的差別，并乘以增益Ks，給出誤差信號SE送到積分器，

　　2. 積分器：由以下的分析將會看出，加入積分器的目的是為了使輸出電壓Vo僅取決于SC和反饋增益KcKd，而與放大器增益Ka無關，從而改善環(huán)路控制特性。

　　3. 放大器：為射頻功率放大器，增益可隨外加控制電壓的變化而變化，增益為Ka。當外加控制電壓低于某一特定值Vthreshold時，放大器不導通，無輸出信號。

　　4. 耦合器：耦合器為一功率取樣部件，可將少量的射頻功率取出。增益為Kc=10[-CF/20]，其中CF稱為耦合系數(shù)。

　　5. 檢波器：檢波器負責將耦合器送來的射頻信號進行平均值檢波，得到對應的直流電壓SF作為反饋信號。檢波器的增益為Kd。

　　當控制環(huán)路閉合后，SC作為功率控制環(huán)路的一個輸入來設定輸出功率，Vo為功率放大器的輸出，耦合器將一部分射頻能量取出，經檢波器變?yōu)榉答佇盘朣F，然后與SC經比較器處理得到誤差電壓SE，再經積分器得到功率放大器的控制電壓。這個過程可以表示為： Eq1 Eq2

　　Vo對時間的變化率可表示為：公式3

　　在穩(wěn)態(tài)時dVo/dt=0，所以此時 Vo="SC/KdKc"。這表明射頻輸出功率僅與控制電壓和反饋支路的增益有關，而與Ka無關，這就是帶有積分器的反饋控制環(huán)路的基本特性。

　　輸出功率檢測反饋控制電路設計

　　下面以圖3所示的實例來說明功率控制環(huán)路的詳細設計步驟。

　　在圖3中，D1、D2和R4組成雙肖特基二極管檢波電路，D1和D2配對使用可以補償溫度系數(shù)的影響，本例中檢波器的增益為0.45(-7dB)，可承受的輸入信號范圍為-20dBm--+20dBm。

　　R5、C3及U1A組成比較器和積分器，負責比較檢波器的輸出和控制信號SC，得出誤差電壓SE并積分。

　　圖中增益Kc=10[-CF/20]，其中CF為耦合系數(shù)。在整個環(huán)路的設計中，耦合器的選擇及積分器時間常數(shù)的確定比較關鍵，前者選擇不當會使耦合信號的幅度超出檢波器工作的動態(tài)范圍，而后者決定了環(huán)路是否能在規(guī)定的時間內完成開機鎖定。GSM規(guī)范要求移動臺的最小功率等級為5dBm，最大為33dBm(以上值均為天線處測量值)。而本實例電路中檢波器能檢測的最小功率為-20dBm，最大功率為20dBm。在功率控制環(huán)路開始工作的初始階段，系統(tǒng)控制單元必須先給出一個較小的功率控制信號，使環(huán)路完成鎖定，進入跟蹤狀態(tài)。這個初始功率控制信號稱為Vpedestal。Vpedestal不能太大，GSM規(guī)范指出該值應比最小功率等級低1-6dB，這里選4dB進行計算.