手機射頻功率控制環(huán)路設計

手機射頻功率控制環(huán)路設計

北京天碁科技有限公司

　　為了保證系統的容量及互操作性，GSM系統規范對發(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進(jìn)行了嚴格的規定，對手機放大器功率控制環(huán)路的設計提出了很高的要求。本文介紹了功率反饋控制法和電流檢測反饋控制法，并對第一種方法給出了詳細的設計步驟。

　　GSM系統為時(shí)分多址(TDMA)系統，不同的用戶(hù)在時(shí)間軸上被分隔開(kāi)，每個(gè)用戶(hù)在特定的一個(gè)時(shí)間間隔(時(shí)隙)內接收或發(fā)送信息。TDMA系統的該特性極大地提高了頻譜利用率，同時(shí)也對移動(dòng)臺射頻前端的設計提出了極大的挑戰。GSM系統要求移動(dòng)臺的發(fā)射機以突發(fā)方式工作，即只在規定的時(shí)隙內開(kāi)機發(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)射頻譜內含有大量的雜散分量，嚴重影響其他用戶(hù)。為保證系統容量和互操作性，必須對移動(dòng)臺發(fā)射機的指標提出要求，這在ETSI GSM 11.10系列規范中都有規定。

　　圖1 PVT 功率--時(shí)間模板

　　為了達到規范要求，移動(dòng)臺發(fā)射機信號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(xiàn)稱(chēng)為功率--時(shí)間模板，在測試時(shí)發(fā)射信號在每個(gè)時(shí)隙的功率--時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)不能超越這個(gè)模板，否則發(fā)射頻譜純度將不能滿(mǎn)足要求，或者會(huì )丟失發(fā)射信息。中間曲線(xiàn)為射頻功放的增益控制電壓，由系統控制單元給出，用以控制射頻輸出功率。這要求能對發(fā)射機中的射頻功率放大器實(shí)現精確的功率控制，同時(shí)，GSM移動(dòng)臺發(fā)射機根據系統要求也要能工作于幾個(gè)功率等級上，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)現功率控制的方法較多，比較常用的為輸出功率檢測反饋控制法，該方法直接檢測射頻輸出功率，通過(guò)反饋環(huán)路實(shí)現閉環(huán)功率控制。另外一種方法為電流檢測反饋控制法，它檢測末級功放管的電流，再通過(guò)反饋環(huán)路實(shí)現對輸出功率的控制。

　　輸出功率檢測反饋控制法

　　圖2 功率控制環(huán)路的數學(xué)模型

　　為便于分析，首先給出功率控制環(huán)路的數學(xué)模型，如圖2所示。

　　該反饋控制系統由五大部分組成：

　　1. 比較器：該部件負責比較由系統指令單元送出的控制信號SC與反饋信號SF之間的差別，并乘以增益Ks，給出誤差信號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。當外加控制電壓低于某一特定值Vthreshold時(shí)，放大器不導通，無(wú)輸出信號。

　　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(chēng)為耦合系數。

　　5. 檢波器：檢波器負責將耦合器送來(lái)的射頻信號進(jìn)行平均值檢波，得到對應的直流電壓SF作為反饋信號。檢波器的增益為Kd。

　　當控制環(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)榉答佇盘朣F，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對時(shí)間的變化率可表示為：公式3

　　在穩態(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。

　　輸出功率檢測反饋控制電路設計

　　下面以圖3所示的實(shí)例來(lái)說(shuō)明功率控制環(huán)路的詳細設計步驟。

　　在圖3中，D1、D2和R4組成雙肖特基二極管檢波電路，D1和D2配對使用可以補償溫度系數的影響，本例中檢波器的增益為0.45(-7dB)，可承受的輸入信號范圍為-20dBm--+20dBm。

　　R5、C3及U1A組成比較器和積分器，負責比較檢波器的輸出和控制信號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。在整個(gè)環(huán)路的設計中，耦合器的選擇及積分器時(shí)間常數的確定比較關(guān)鍵，前者選擇不當會(huì )使耦合信號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)路是否能在規定的時(shí)間內完成開(kāi)機鎖定。GSM規范要求移動(dòng)臺的最小功率等級為5dBm，最大為33dBm(以上值均為天線(xiàn)處測量值)。而本實(shí)例電路中檢波器能檢測的最小功率為-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，系統控制單元必須先給出一個(gè)較小的功率控制信號，使環(huán)路完成鎖定，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。這個(gè)初始功率控制信號稱(chēng)為Vpedestal。Vpedestal不能太大，GSM規范指出該值應比最小功率等級低1-6dB，這里選4dB進(jìn)行計算.