Linear power amplifier of Direct Amplifier Station with adaptive control

摘要: 線性功率放大器是CDMA直放站的核心模塊。本文設計的帶自適應控制的線性功放,其功率增益G為48±0.8dB,1db壓縮點輸出功率≥37dBm,帶內波動≤0.8dB,互調失真IMD3≤－15dBm,IMD5≤－25dBm,輸入輸出端口駐波比VSWR≤1.3,增益步進衰減ATT范圍為31dB,自動電平控制ALC范圍為20dB,符合直放站的應用要求.

關鍵詞: 功率放大器； 線性； 自動電平控制； 自動增益控制；

Abstract: Linear power amplifier is an important module of Direct Amplifier Station. In the present paper , a linear power amplifier(PA) with adaptive control is designed. The output power of PA is greater than 37dBm at the 1dB compressed point. It achieves a power gain of 47 dB with a good flatness of ±0.8 dB only, input and output VSWRs is better than 1.3.The third-order Intercept Point is less than -15dbm and the fifth-order Intercept Point less than -25dbm.The range of att reaches 31db,and alc 20db. It meets the demand of Direct Amplifier Station.

Key words: power amplifier; linearity; alc; agc

1引言

CDMA直放站作為一種實現無線覆蓋的輔助手段，用來解決盲區或將基站信號進行延伸，調配小區業務，平衡各小區的話務量，在“導頻污染”地區強化主導頻等等，以達到低成本擴大無線網絡覆蓋范圍、優化網絡的目的。功放是直放站的核心部件，CDMA系統的調制方式以及頻譜的利用率，對功放的線性度提出了很高的要求。放大器的非線性將造成交調嚴重，CDMA導頻信號混亂，通信質量惡化等現象[1]。

本文研制一種功能完備的，適用于生產要求的870-880M5W帶自適應控制的直放站線性功率放大器。其射頻電路部分分為三級放大，G1為增益級，G2為推動級,G3為輸出級。射頻信號經過-3db的電阻衰減網絡進入自動電平控制(ALC),再由G1放大至自動增益控制(AGC)及數控衰減部分(ATT)，又由G2,G3放大接環行器到輸出。數字控制部分主要由單片機ATMEGA8與數/模轉換器TLC5620組成。

2電路設計與分析

2.1數字控制電路及數控衰減器

ATMEGA8是一款采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC結構的單片機[2]。在線可編程，具有強大的外部接口性能，最多有23個可編程I/O口，可任意定義端口的輸入/輸出方向。TLC5620是8位的數/模轉換器，使用串口通信。在本功放中的電路連接如圖1所示。數控部分實現對功率、增益、電平、駐波、溫度、柵極電壓等的自動監控及調節。為符合聯通CDMA的通信標準，在功放電路中采用Hittite公司的HMC274QS16砷化鎵IC數控衰減器。HMC274QS16是由5位正電平控制的數控衰減器，能工作在0.7-2.7G帶寬內，典型的插入損耗僅2.3db，高輸入IP3=54dBm，5V的單電源供電,使增益達到31db的調節范圍，1db的節步長，由ATMEGA8的5個I/O口自動控制，以提供所需衰減量。

2.2三級級聯射頻放大電路

增益級G1采用 Sirenza公司的SGA-6289單片微波集成芯片，可工作在0-4.5G帶寬內，單電源供電，已匹配至50歐姆，功率增益G=13.9db，輸出功率1db壓縮點P1db=18.1dbm，三階截止點OIP3=34.4dbm。G2采用Motorola公司的MW4IC915,其內部采用兩級級聯結構，具有較寬的帶寬與線性度。G3采用Motorola公司的MRF9060作為功率輸出級。其電路結構如圖2所示，含溫度檢測電路。在該電路中，微帶線Z2-Z6與兩個高Q電容一起構成G2與G3之間匹配網絡[3],在電源線與三個漏級之間分布鐵氧體磁珠 (Ferrite Bead) F1、F2，它比普通的電感有更好柵極與地之間應連接多個不同數量級的去耦電容，它有三個方面的作用：一是作為本電路的蓄能電容；二是濾除器件產生的高頻噪聲，切斷其通過供電回路進行傳播的通路；三是防止電源攜帶的噪聲對電路構成干擾。此處采用低電壓溫度傳感器TMP36對功放電路進行溫度監控，將其隨溫度線形上升的檢測電壓提供給數字控制芯片ATMEGA8，通過內部編程，ATMEGA8將MW4IC915的兩個柵極設置在該溫度下達到最優線性度的電壓Vgs1,Vgs2上。若溫度上升到一定高度，將給監控系統提供溫度報警，以保護功放不被損壞。

2.3 環行器應用及功率檢測電路

環行器用在功率放大器之后,主要作用是防止輸出失配，高功率信號反射回來損壞功放，同時還能改善輸出駐波。經過末級功放后的輸出功率由用微帶線設計的30dbm耦合器將部分的功率耦合到正向二極管檢波電路得到直流電壓，如圖3所示，再由運算放大器經過一定量的電壓放大得到正向檢波電壓Vf，送至單片機ATMEGA8以判斷功放輸出功率，作為自動電平控制的依據。在環行器的端口3接50歐姆的吸收負載,在輸出端失配時吸收發射回來的信號，避免負載反射回來的信號進入功放輸出端,起到保護功放的作用。同時，還把端口3的信號送入到反向檢波電路進行檢波，再由運算放大器放大得到反向檢波電壓Vr。其中正反向檢波電路均采用二極管HMSM2800,運算放大器采用ST公司的LM2902。正向電壓Vf,反向電壓Vr經ATMEGA8處理,可以得到電壓駐波比,若失配嚴重,將向監控系統發出駐波告警, 從而采取相應的保護措施，例如中止對功放電路的饋電、增加電調衰減器的衰減量等，起到保護功放電路的作用。