基于射頻功放的GSM/DCS雙頻段RF射頻前端設計

　　目前，GSM系統是世界上應用最廣泛的移動(dòng)通信標準，應用于GSM系統的射頻前端架構主要有GSM/DCS雙頻功率放大器模塊和單刀四擲（SP4T）射頻開(kāi)關(guān)模塊組合的解決方案。其中，GSM/DCS雙頻功率放大器模塊多采用將GSM和DCS兩個(gè)頻段的單頻射頻功率放大器管芯以及對應的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò )和CMOS控制器封裝至一個(gè)芯片模塊，從而實(shí)現雙頻工作。SP4T射頻開(kāi)關(guān)模塊多采用將GSM/DCS雙頻濾波器與SP4T開(kāi)關(guān)管芯集成的方式。

　　本文提出一種新穎的射頻功率放大器電路結構，使用一個(gè)射頻功率放大器實(shí)現GSM/DCS雙頻段功率放大功能，銳迪科的就是采用這種結構。射頻功率放大器管芯由原來(lái)的兩個(gè)減少為一個(gè)，同時(shí)此結構射頻功率放大器及輸出匹配網(wǎng)絡(luò )與CMOS控制器、射頻開(kāi)關(guān)集成至一個(gè)芯片模塊，組成GSM/DCS雙頻段射頻前端模塊，如圖1所示。

圖1 GSM/DCS雙頻段射頻前端模塊示意圖。

　　單芯片放大器電路

　　本設計中的射頻功率放大器電路采用三級放大的電路形式。如圖2所示，將射頻功率放大器電路的第一級分成兩個(gè)獨立的輸入端，分別對應于GSM和DCS功率放大頻段。然后共用第二級和第三級放大電路。在輸出端實(shí)現了可以同時(shí)應用于GSM、DCS頻段的輸出匹配網(wǎng)絡(luò )。由于第二級和第三級為GSM和DCS兩個(gè)頻段共用的電路放大級，因此在設計此兩級電路時(shí)需要同時(shí)兼顧GSM和DCS兩個(gè)頻段的要求。

圖2、 雙頻段功率放大器電路原理圖。

　　本電路中第三級設計為功率放大級，在通常電池電壓供電的情況下，為使GSM頻段和DCS頻段功率輸出分別達到35dBm和33dBm,因此GSM頻段和DCS頻段的功率輸出阻抗分別設計為2Ω和3Ω。由于GSM頻段輸出功率大于DCS頻段輸出功率，因此設計第三級功率管Q3最大輸出功率達35dBm。

　　該電路中第二級為功率驅動(dòng)級，因為需要同時(shí)覆蓋GSM和DCS兩個(gè)頻段，頻率范圍很寬，因此設計第二級放大電路采用負反饋結構，將工作頻率從GSM頻段拓寬至DCS頻段。同時(shí)，第二、三級級間匹配網(wǎng)絡(luò )也設計為寬帶匹配網(wǎng)絡(luò )。本設計電路中，第二級和第三級的總體增益設計為25dB，頻率范圍覆蓋GSM和DCS頻段。仿真結果如圖3所示。

圖3 第二級和第三級增益仿真結果。

　　由于高頻段（DCS）的增益在第二和第三級時(shí)略低，因此設計第一級放大電路時(shí)，DCS頻段第一級增益比GSM頻段第一級高約3dB。同時(shí)，在DCS頻段射頻輸入端加入濾波網(wǎng)絡(luò )，如圖2所示。此濾波網(wǎng)絡(luò )對GSM頻段信號起到帶阻作用，同時(shí)對DCS頻段信號起到帶通作用，加入此濾波網(wǎng)絡(luò )可有效地提高交叉隔離度。該濾波網(wǎng)絡(luò )的仿真原理圖與仿真結果分別如圖4、圖5所示。本設計電路GSM頻段和DCS頻段總增益仿真結果如圖6、圖7所示。

圖4 DCS頻段輸入濾波網(wǎng)絡(luò )仿真原理圖。

圖5 DCS頻段輸入濾波網(wǎng)絡(luò )仿真結果

圖6 GSM頻段總增益仿真結果

圖7 DCS頻段總增益仿真結果

　　高隔離射頻開(kāi)關(guān)

　　本文設計的GSM/DCS雙頻段射頻前端模塊中，GSM/DCS雙頻段射頻功率放大器管芯的輸出端分別與GSM輸出匹配網(wǎng)絡(luò )和DCS輸出匹配網(wǎng)絡(luò )連接至同一節點(diǎn)。而DCS工作頻段范圍為1710MHz~1910MHz，覆蓋了GSM頻段（880MHz~915MHz）的二次諧波頻率范圍（1760MHz~1830MHz）。因此當GSM頻段發(fā)射選通時(shí)，GSM頻段射頻信號的二次諧波可通過(guò)共同節點(diǎn)泄漏至DCS輸出匹配網(wǎng)絡(luò )，從而傳輸至天線(xiàn)。

　　雖然GSM頻段發(fā)射選通時(shí)，射頻開(kāi)關(guān)DCS端為關(guān)閉狀態(tài)，但由于普通射頻開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，隔離度只有20dB左右。因此，當GSM頻段二次諧波信號較強時(shí)，仍有一定功率的射頻信號通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)DCS端耦合至天線(xiàn)，使得GSM頻段發(fā)射時(shí)，天線(xiàn)端輸出的GSM頻段二次諧波信號較高，超出系統指標要求。為了滿(mǎn)足通信系統要求諧波分量在-30dBm以下的要求，射頻開(kāi)關(guān)的DCS端設計為高隔離結構，當射頻開(kāi)關(guān)GSM端選通時(shí)，DCS端至天線(xiàn)端的隔離度高達80dB，使得GSM頻段信號的二次諧波無(wú)法通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)DCS端傳輸至天線(xiàn)，從而極大地降低了兩個(gè)頻段之間的射頻干擾。

　　本文小結

　　本文提出一種新穎的射頻功率放大器電路結構，使用一個(gè)射頻功率放大器實(shí)現GSM/DCS雙頻段功率放大功能。同時(shí)將此結構射頻功率放大器及輸出匹配網(wǎng)絡(luò )與CMOS控制器、射頻開(kāi)關(guān)集成至一個(gè)芯片模塊，組成GSM/DCS雙頻段射頻前端模塊，其中射頻開(kāi)關(guān)采用高隔離開(kāi)關(guān)設計，使得諧波滿(mǎn)足通信系統要求。本文設計的GSM/DCS雙頻段射頻前端模塊，在GSM發(fā)射模式下，模塊天線(xiàn)端輸出功率為33dBm，效率38%，諧波抑制-33dBm以下；DCS發(fā)射模式下，模塊天線(xiàn)端輸出功率為30dBm,效率30%，諧波抑制-33dBm以下。