高定向性耦合器在手機功率放大器控制中的應用

在RF的應用中，定向性耦合器被用來(lái)在傳播方向上分離信號。在輔助臂(耦合線(xiàn)路)上感應的電波與在發(fā)射系統(主線(xiàn)路)中傳輸的前向電波成比例。感應能量與輸入能量的比值被稱(chēng)為耦合因子。

　　定向性的定義是：當能量的傳輸發(fā)生在要求的方向上時(shí)，在一個(gè)耦合端口處的能量輸出，與當同等大小的能量傳輸發(fā)生在相反的方向上時(shí)，在相同的耦合端口上能量輸出的差別(單位為dB)。

　　耦合因子＝10log(P2/P1)

　　這里，P1是輸入能量，P2是耦合的能量。

　　定向性=10log(P2/P2R)

　　這里，P2是為前向信號提供的耦合能量，P2R是為逆向信號提供的耦合能量(圖1)。

圖1：(a) 前向、(b) 逆向定向性耦合器示意圖。

　　定向性(dB)=絕緣(dB)-耦合(dB)

　　有限隔離是有限的定向性產(chǎn)生的原因。能量計通過(guò)測量在耦合端口處的一個(gè)定向性耦合器的輸出，來(lái)測量在傳輸線(xiàn)路中的能量值。這一輸出受耦合因子的影響。在主線(xiàn)路中反射的能量將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)測量誤差(定向性誤差)。能量測量的精確度可以通過(guò)消除反射信號，或者通過(guò)使用高定向性耦合器來(lái)提高。

　　手機中的能量控制

　　手機通過(guò)連接到RF電路的天線(xiàn)來(lái)接受和發(fā)射信號(圖2)。在3G頻段，WCDMA調制將使可變信號放大。通常情況下，可變信號放大能使本來(lái)平均的輸出能量達到一個(gè)峰值(超過(guò)3dB)，以覆蓋一個(gè)被256個(gè)用戶(hù)共同使用的帶寬為5MHz的通道。手機的輸出能量等級可通過(guò)基站調節，這要求來(lái)自手機的在同一個(gè)通道中傳輸的所有上行線(xiàn)信號，能在精確度小于1dB的范圍內被接收。如果不能滿(mǎn)足這個(gè)要求，則會(huì )由于信號過(guò)弱而導致通話(huà)被中斷，也就是說(shuō)，來(lái)自用戶(hù)的服務(wù)感知等級很低。

圖2：基本的GSM+3G無(wú)線(xiàn)電功能方框圖。

　　與之形成鮮明對比的是，GSM波段采用TDMA標準，且伴有GMSK型信號調制，這里的移動(dòng)用戶(hù)成為在給定時(shí)間間隙和通道內的唯一用戶(hù)。這意味著(zhù)可以忽略較差的能量控制對網(wǎng)絡(luò )的影響，因為它對其他用戶(hù)的影響非常小。

　　高定向性耦合器的執行

　　密集天線(xiàn)環(huán)境中的任何改變都可能導致匹配不當，并且在某些特定場(chǎng)合，還會(huì )增加反射能量。我們將考慮的最大VSWR值是6比1，該值發(fā)生在最壞情況下，例如當天線(xiàn)不能被打開(kāi)時(shí)。

　　為發(fā)射前向信號并過(guò)濾掉所有由于匹配不當而導致的、來(lái)自天線(xiàn)的逆向信號，必須在PA輸出和天線(xiàn)之間插入隔離器。輸入和輸出之間的阻抗值是 50Ω。大多數情況下都我們都希望去除隔離器，原因如下：隔離器體積太大，并且占據主要的PCB；隔離器的造價(jià)太高；隔離器會(huì )帶來(lái)很大的插入損失(一般情況下高于0.7dB)；隔離器對溫度非常敏感，并容易老化。

　　如今已開(kāi)發(fā)出的耦合器解決方案可用于監測在能量控制應用中的PA輸出信號，并且這項技術(shù)還可用來(lái)監測由于天線(xiàn)不匹配而產(chǎn)生的傳輸能量和發(fā)射能量 (圖3)。

圖3：在一定向性耦合器下的能量控制。

　　“Vi/Vr”方法在監測中既包含對事件的監測，也包含對反射能量的監測。當在天線(xiàn)處探測過(guò)量的VSWR時(shí)，輸出能量將被減少到一個(gè)值，而這個(gè)值應盡可能地接近目標能量。

　　帶有標準定向性耦合器(低于10dB)的Vi/Vr方法的執行，并不那么切合實(shí)際，這是因為：(1)每個(gè)輸出方向必須有1個(gè)耦合器；(2)它的控制精確度非常差；(3)成本很高，應用起來(lái)非常復雜。

　　具有高定向性(高于15dB)的耦合器和均勻性能對監測入射能量信號和反射能量信號非常關(guān)鍵，它們能增加能量控制電路的精確度，并允許使用單個(gè)的耦合器。

　　單個(gè)微型AVX寬頻高定向性耦合器既可以探測到Vi，又可以探測到Vr，它允許利用被測的入射能量與反射能量的比值來(lái)精確控制輸出能量。

　　但需要注意的是，這一比值是獨立于耦合因子精確度的(只要探測器收到的信號足夠多)，但如表所示，它對定向性的依賴(lài)性非常強。

　　表：能量控制精確度。

AVX高定向性耦合器

　　開(kāi)發(fā)AVX高定向性耦合器的目的是為了滿(mǎn)足這一應用領(lǐng)域的迫切要求。在一個(gè)很小的物理空間內實(shí)現高定向性非常困難。通過(guò)從電場(chǎng)和磁場(chǎng)獲得平衡作用，并精確地應用相計算，可以大大優(yōu)化耦合器定向性。

　　AVX采用了金屬陰極濺鍍、平版印刷術(shù)以及電鍍等半導體生產(chǎn)工藝技術(shù)。這些技術(shù)使得金屬傳導器具有精確的幾何尺寸。

　　CP0402和CP0603系列的AVX高定向性耦合器基于薄膜多層技術(shù)，具有非常出色的高頻率性能以及堅固的結構，這使得自動(dòng)化裝配變得非?？煽?。

　　耦合器可以應用到一個(gè)非常寬的頻帶范圍內，而且很容易得到中間耦合值。某些高定向性耦合器型號具有如下的特性：頻率范圍從400MHz到高于 6GHz、耦合因子從8.5dB到27.5dB@1950MHz。

圖4：AVX耦合器的細微金屬元素。

　　執行上述的輸出能量控制技術(shù)，我們可以獲得以下幾個(gè)方面的好處：可大大增長(cháng)手機的通話(huà)時(shí)間；PA輸出能量可以被精確控制；不再需要隔離器；成本降低；在PA和天線(xiàn)間的插入損失被減少到最小值；PCB的高度和尺寸減??；I損耗很低(0.2dB)；導向性很高(超過(guò)20dB)等等。