手機(jī)射頻功率控制環(huán)路設(shè)計(jì)

手機(jī)射頻功率控制環(huán)路設(shè)計(jì)

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(duì)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(hào)進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，對(duì)手機(jī)放大器功率控制環(huán)路的設(shè)計(jì)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(cè)反饋控制法，并對(duì)第一種方法給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟。

　　GSM系統(tǒng)為時(shí)分多址(TDMA)系統(tǒng)，不同的用戶在時(shí)間軸上被分隔開(kāi)，每個(gè)用戶在特定的一個(gè)時(shí)間間隔(時(shí)隙)內(nèi)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(shí)也對(duì)移動(dòng)臺(tái)射頻前端的設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)。GSM系統(tǒng)要求移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射機(jī)以突發(fā)方式工作，即只在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)開(kāi)機(jī)發(fā)送信息，而在其它時(shí)隙則處于關(guān)閉狀態(tài)。這種開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)會(huì)使發(fā)射頻譜內(nèi)含有大量的雜散分量，嚴(yán)重影響其他用戶。為保證系統(tǒng)容量和互操作性，必須對(duì)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射機(jī)的指標(biāo)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(shí)間模板

　　為了達(dá)到規(guī)范要求，移動(dòng)臺(tái)發(fā)射機(jī)信號(hào)的上升沿和下降沿不能過(guò)于陡峭，而必須是一個(gè)緩升和緩降的過(guò)程，如圖1所示。圖中最上及最下兩條曲線稱為功率--時(shí)間模板，在測(cè)試時(shí)發(fā)射信號(hào)在每個(gè)時(shí)隙的功率--時(shí)間關(guān)系曲線不能超越這個(gè)模板，否則發(fā)射頻譜純度將不能滿足要求，或者會(huì)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(duì)發(fā)射機(jī)中的射頻功率放大器實(shí)現(xiàn)精確的功率控制，同時(shí)，GSM移動(dòng)臺(tái)發(fā)射機(jī)根據(jù)系統(tǒng)要求也要能工作于幾個(gè)功率等級(jí)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(shí)現(xiàn)功率控制的方法較多，比較常用的為輸出功率檢測(cè)反饋控制法，該方法直接檢測(cè)射頻輸出功率，通過(guò)反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)功率控制。另外一種方法為電流檢測(cè)反饋控制法，它檢測(cè)末級(jí)功放管的電流，再通過(guò)反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的控制。

　　輸出功率檢測(cè)反饋控制法

　　圖2 功率控制環(huán)路的數(shù)學(xué)模型

　　為便于分析，首先給出功率控制環(huán)路的數(shù)學(xué)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(fù)責(zé)比較由系統(tǒng)指令單元送出的控制信號(hào)SC與反饋信號(hào)SF之間的差別，并乘以增益Ks，給出誤差信號(hào)SE送到積分器，

　　2. 積分器：由以下的分析將會(huì)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(wú)關(guān)，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(dāng)外加控制電壓低于某一特定值Vthreshold時(shí)，放大器不導(dǎo)通，無(wú)輸出信號(hào)。

　　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(fù)責(zé)將耦合器送來(lái)的射頻信號(hào)進(jìn)行平均值檢波，得到對(duì)應(yīng)的直流電壓SF作為反饋信號(hào)。檢波器的增益為Kd。

　　當(dāng)控制環(huán)路閉合后，SC作為功率控制環(huán)路的一個(gè)輸入來(lái)設(shè)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(jīng)檢波器變?yōu)榉答佇盘?hào)SF，然后與SC經(jīng)比較器處理得到誤差電壓SE，再經(jīng)積分器得到功率放大器的控制電壓。這個(gè)過(guò)程可以表示為： Eq1 Eq2

　　Vo對(duì)時(shí)間的變化率可表示為：公式3

　　在穩(wěn)態(tài)時(shí)dVo/dt=0，所以此時(shí) 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(guān)，而與Ka無(wú)關(guān)，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(cè)反饋控制電路設(shè)計(jì)

　　下面以圖3所示的實(shí)例來(lái)說(shuō)明功率控制環(huán)路的詳細(xì)設(shè)計(jì)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(duì)使用可以補(bǔ)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(hào)范圍為-20dBm--+20dBm。

　　R5、C3及U1A組成比較器和積分器，負(fù)責(zé)比較檢波器的輸出和控制信號(hào)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(gè)環(huán)路的設(shè)計(jì)中，耦合器的選擇及積分器時(shí)間常數(shù)的確定比較關(guān)鍵，前者選擇不當(dāng)會(huì)使耦合信號(hào)的幅度超出檢波器工作的動(dòng)態(tài)范圍，而后者決定了環(huán)路是否能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成開(kāi)機(jī)鎖定。GSM規(guī)范要求移動(dòng)臺(tái)的最小功率等級(jí)為5dBm，最大為33dBm(以上值均為天線處測(cè)量值)。而本實(shí)例電路中檢波器能檢測(cè)的最小功率為-20dBm，最大功率為20dBm。在功率控制環(huán)路開(kāi)始工作的初始階段，系統(tǒng)控制單元必須先給出一個(gè)較小的功率控制信號(hào)，使環(huán)路完成鎖定，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。這個(gè)初始功率控制信號(hào)稱為Vpedestal。Vpedestal不能太大，GSM規(guī)范指出該值應(yīng)比最小功率等級(jí)低1-6dB，這里選4dB進(jìn)行計(jì)算.