增強型MIMO射頻發(fā)射穩幅環(huán)路的設計與實(shí)現

朱 亮 ¹ ，武敬飛 ²

1.中電科儀器儀表(安徽)有限公司 安徽 蚌埠 233010

2.電子信息測試技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗室 安徽 蚌埠 233010

摘?要：介紹了LTE-A增強型MIMO技術(shù)的基本要求，并結合可調衰減器、對數檢波器、放大器、功分耦合電路、AD、DA和FPGA設計了一種數字穩幅環(huán)路，滿(mǎn)足LTE等標準通信制式40 MHz信號帶寬和μS級響應時(shí)間要求，并經(jīng)過(guò)印制板加工及測試，實(shí)驗結果滿(mǎn)足設計指標。

關(guān)鍵詞：MIMO; ALC; 寬帶放大器; 衰減器

0 引言

LTE-A ^[1] 是在LTE基礎上的繼續演進(jìn),其目標是滿(mǎn)足國際電信聯(lián)盟無(wú)線(xiàn)部門(mén)(ITU-R)IMT-Advanced的需要,同時(shí)支持與LTE的后向兼容性。LTE-A最基本的特征就是支持更高的數據速率,其中增強型MIMO技術(shù)被認為是LTE-A為達到更高的峰值速率而采用的主要技術(shù)。LTE-A在保證較高數據速率的同時(shí)對輸出信號的功率穩定度要求也不斷提高，為了實(shí)現這一關(guān)鍵技術(shù)，必須對輸出射頻信號進(jìn)行閉環(huán)幅度控制(Auto LevelControl,ALC) ^[2] 。

1 閉環(huán)幅度控制(ALC)基本工作原理

針對射頻CW信號、矢量調制信號以及通信制式信號進(jìn)行輸出時(shí)，尤其對標準通信制式信號而言，其最大輸出功率、絕對功率控制容限、相對功率控制容限、聚合功率控制等多項主要指標測試都和下行信號的幅度穩定度、精度密切相關(guān)，如果要實(shí)現信號的穩定輸出，就必須對輸出信號進(jìn)行閉環(huán)幅度控制（ALC Auto LevelControl），傳統ALC穩幅環(huán)路采用負反饋模擬積分環(huán)路實(shí)現信號的穩定輸出，輸出信號發(fā)生變化時(shí)，耦合功率通過(guò)反饋電路檢波后進(jìn)入積分求和電路，在積分求和電路中與參考預置電壓比較，求出差值控制壓控衰減器調節衰減器量，保證射頻輸出功率的穩定性，其原理如圖1所示。

圖1中射頻輸出功率動(dòng)態(tài)范圍往往受限于二極管檢波器和相關(guān)電路，造成輸出功率范圍遠遠小于壓控衰減器的功率動(dòng)態(tài)范圍；ALC調制帶寬受限于A(yíng)LC系統的遲滯特性；另外，由于A(yíng)LC穩幅環(huán)路響應時(shí)間較長(cháng)，無(wú)法滿(mǎn)足通信標準制式信號響應時(shí)間要求。

針對這些缺點(diǎn)，本文提出新型數字穩幅環(huán)路，該穩幅環(huán)路結合壓控可調衰減器、對數檢波器、放大器、功分耦合電路、AD、DA和FPGA組成，其原理如圖2所示，射頻輸出信號功分/耦合功率經(jīng)該檢波器輸出模擬電壓，該電壓經(jīng)過(guò)AD處理，處理后數字電壓在FPGA中與參考AD值進(jìn)行比較求得差值，該差值與預置DA值求和或差，將處理后的數據經(jīng)過(guò)DA處理控制壓控調制器的衰減量，從而保證輸出信號功率的穩定。

通過(guò)調節射頻輸出反饋功率到實(shí)時(shí)對數檢波器的線(xiàn)性范圍，實(shí)現可變壓控衰減器32 dB的動(dòng)態(tài)范圍；同時(shí)，通過(guò)高速AD、DA、FPGA數據采集處理，ALC環(huán)路帶寬滿(mǎn)足LTE等標準通信制式帶寬，能夠達到40 MHz信號帶寬，且穩幅環(huán)路響應時(shí)間滿(mǎn)足LTE信號μs級響應時(shí)間要求。

2 方案設計與實(shí)現

1)射頻發(fā)射通路放大器設計

為了避免在增強型MIMO射頻發(fā)射通路中中衰減器、開(kāi)關(guān)、濾波器以及功分器對輸入信號存在較大的損耗，保證通信矢量信號在最終輸出端功率滿(mǎn)足設計指標，需要在射頻發(fā)射通路中進(jìn)行功率放大從而補償信號差損。為了實(shí)現100 kHz~6G Hz射頻信號的穩幅輸出，在600 MHz~6.0 GHz頻段內采用FGB-1509A寬帶放大器進(jìn)行放大，而100 kHz~600 MHz頻段信號是射頻信號與2 GHz本振信號混頻產(chǎn)生，混頻器選用ADE42，該混頻器變頻損耗達到7.5 dB，且混頻后產(chǎn)生的信號需要經(jīng)過(guò)650 MHz低通濾波器進(jìn)行濾波，信號損耗較大，同樣需對信號進(jìn)行補償，這里選用Mini公司的ERA-5SM進(jìn)行放大。HMC788LP2E放大器P1 dB壓縮點(diǎn)達到20 dBm，故本模塊在最后一級放大采用該芯片，各放大器器件指標如表1所示。

由表1器件指標可以看出，射頻發(fā)射通路通過(guò)采用三級放大 ^[4] 方式，通路輸出功率能夠達到8 dBm，保證信號發(fā)生器最終輸出大于10 dBm的功率。各放大器偏置通過(guò)8 V電壓供電，供電電壓經(jīng)過(guò)偏置電阻、去耦電容和RFC到放大器輸出端壓降為5 V，對于去耦電容和RFC的選取需要通過(guò)工作頻段進(jìn)行調試，輸入輸出端口隔直電容C1、C2根據最小工作頻率100 kHz選取值為0.1μF，ERA-5SM和HMC788LP2E放大器最終設計電路如圖3所示。

2)射頻發(fā)射通路預置衰減器設計

當MIMO射頻發(fā)射通路輸入信號大于0 dBm時(shí)，會(huì )出現整個(gè)射頻通路在輸入前端就存在功率壓縮的可能，針對此種情況，本方案在射頻通路輸入端加入數控衰減器 ^[3] HMC624LP4，該器件主要器件指標如表2所示。

由表2可知，HMC624LP4插入損耗較小，在整個(gè)頻段具有31.5 dB的衰減范圍，且具有較高的1 dB壓縮點(diǎn)和3階截斷點(diǎn)。該器件具有串行和并行控制兩種模式，通過(guò)分析比較，本方案選取并行控制方式，控制電壓由穩幅板FPGA提供，其控制電路如圖4所示，其中C5~C8電容值由最低輸入頻率決定，這里最低輸入頻率為600 MHz，故選取電容值為330 pF。經(jīng)實(shí)際測試，30 dB衰減量按送數控制滿(mǎn)足設計指標，保證了整個(gè)變頻通路功率滿(mǎn)足不壓縮，且該衰減器在后期軟件校準過(guò)程中能夠參與整機校準。

3)射頻通路設計

射頻CW信號、矢量調制信號以及通信制式信號輸入到增強型MIMO射頻發(fā)射通路時(shí)該模塊主要完成對射頻信號進(jìn)行通路放大，頻率擴展以及參與ALC穩幅設計等功能。射頻發(fā)射穩幅環(huán)路原理框圖如圖5所示。該電路從射頻輸出口取樣檢波，經(jīng)過(guò)A/D進(jìn)入FPGA。FPGA對該信號進(jìn)行分析處理后，產(chǎn)生相應控制信號，經(jīng)過(guò)D/A轉換成模擬電壓信號控制可調衰減器，完成射頻信號輸出功率自動(dòng)控制功能。

由于射頻模塊器件輸入輸出負載阻抗為50 Ω，故要求本方案信號射頻走線(xiàn)阻抗 ^[5] 同樣為50 Ω，本文印制板使用疊層的方式，其中第一層介質(zhì)材料為Rogers4350B,板厚為20 mil，介電常數為3.48，通過(guò)仿真軟件Polar Si9000計算得到射頻走線(xiàn)寬度為40 mil。

根據圖5所示原理框圖，畫(huà)出相應的PCB外協(xié)加工，將加工的印制板安裝到提前設計好的屏蔽盒中，結合開(kāi)閉環(huán)測試程序進(jìn)行測試，安捷倫N9020A測試結果如圖6所示，其中圖6為輸出信號功率測試結果，由測試結果滿(mǎn)足設計指標。

3 結論

閉環(huán)幅度控制在現代通信系統中具有舉足輕重的地位，其性能決定了通信系統信號功率指標的好壞。本文基于壓控可調衰減器、對數檢波器、放大器、功分耦合電路、AD、DA和FPGA設計的數字穩幅環(huán)路滿(mǎn)足LTE-A等標準通信制式功率、帶寬和響應時(shí)間的要求，從而被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)通信系統領(lǐng)域。

參考文獻：

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[4]池保勇,余志平,石秉學(xué).CMOS射頻集成電路分析與設計[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006

[5]欒秀珍,房少軍,金紅,邰佑誠.微波技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社,2009

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第46頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。