新型WCDMA直放站PA的設計方案

隨著3G技術的不斷發展，系統容量的不斷提升，對通信系統的線性要求越來越高。功放作為通信系統的主要非線性單元，其性能的改善對整個系統的作用至關重要。傳統的功率回退方法已難以滿足日益增長的線性與效率要求，因此，高效、線性的功放設計方案成為研究熱點。本文將詳細介紹一種采用Scintera公司新型預失真芯片SC1887與NXP公司高性能LDMOS器件的高效新型WCDMA直放站PA設計方案。

一、方案設計背景

隨著3G技術的廣泛應用，WCDMA系統作為3G主流技術之一，對基站的線性要求越來越高。功放作為通信系統中的主要非線性單元，其非線性失真特性會導致信號失真和頻譜擴展，影響系統的整體性能。為了改善功放的線性度，目前已商用的線性化技術包括前饋、數字預失真（DPD）和模擬預失真。前饋技術的主要缺點是誤差環路不能同時放大有用信號，導致效率非常低；DPD技術需要將射頻信號先轉化成基帶信號，處理完成后再還原成射頻信號與PA的輸出信號進行合成，系統復雜且難以調試，有效帶寬受限。相比之下，模擬預失真系統結構簡單、容易調試且效率較高，因此成為當前比較受歡迎的線性化方法。

二、方案設計原理

模擬預失真的核心在于選擇合適的非線性器件，其特性要與功放中的LDMOS非常接近，才能模擬出PA的非線性特性，最終達到預失真的效果。然而，選擇合適的非線性器件需要大量的實驗數據和驗證，給前期研發帶來很大挑戰。

2.1 預失真芯片SC1887

Scintera公司的SC1887是一款內部集成的新型預失真芯片，它大幅簡化了預失真電路的結構，減少了外圍元器件的應用，使得整個電路更加緊湊、更易小型化，同時進一步提升了系統可靠性。SC1887采用了閉環結構，對消效果比傳統的開環結構更優異。該芯片通過調節RFin、RFout和FFFB三個端口與各個巴倫之間的匹配，可以在600MHz到2.8GHz的帶寬內正常工作。

2.2 Doherty結構

Doherty結構是一種高效的功率合成技術，通過將兩個或多個功放單元的輸出功率進行合成，提高整體效率和輸出功率。本方案采用Doherty結構，前級推動使用NXP的BLM6G22-30G，末級使用NXP的BLF6G22LS-130，最終完成WCDMA 30W功率輸出。

三、主控芯片型號及作用

3.1 SC1887預失真芯片

型號： Scintera SC1887

作用：

1. 預失真處理：SC1887作為預失真芯片，能夠模擬功放的非線性特性，實現信號的預失真處理，從而改善功放的線性度。

2. 閉環結構：采用閉環結構，對消效果優異，能夠顯著提高系統的線性度和穩定性。

3. 端口匹配：通過調節RFin、RFout和FFFB三個端口與各個巴倫之間的匹配，可以在600MHz到2.8GHz的帶寬內正常工作，滿足寬帶應用需求。

4. 簡化電路：大幅簡化了預失真電路的結構，減少了外圍元器件的應用，使得整個電路更加緊湊、更易小型化，同時提升了系統可靠性。

3.2 NXP BLF6G22LS-130

型號： NXP BLF6G22LS-130

作用：

1. 末級功放：作為Doherty結構的末級功放，BLF6G22LS-130具有高效率和高增益，單管增益可達17dB，飽和效率55%，做成Doherty后增益也有15-16dB，末級6dB回退效率在40%以上。

2. 高性能LDMOS：NXP的BLF6G22LS-130是一款高性能LDMOS器件，具有高效率和增益，在高效率、大功率功放應用方面有著不可替代的優勢。

3.3 NXP BLM6G22-30G

型號： NXP BLM6G22-30G

作用：

1. 前級推動：作為Doherty結構的前級推動，BLM6G22-30G是一款塑封的集成二級IC管，增益高達28dB，效率高，是做大功率推動級的首選方案。

2. 功率合成：通過Doherty結構與BLF6G22LS-130進行功率合成，提高整體效率和輸出功率。

3.4 其他關鍵器件

• NXP RFSS BGA6589：射頻方案中的預推動采用NXP RFSS BGA6589，用于提供穩定的射頻信號輸入。

• 村田制作所高Q電容和低差損電感：采用村田制作所的高Q電容和低差損電感，將三個端口回波控制在18dB以上，提高電路的穩定性和性能。

• 研通（Yantel）低插損電橋HC2100A03：為了提高輸出功率，采用研通高頻技術公司最新推出的低插損電橋HC2100A03，降低信號傳輸過程中的損耗。

四、具體實現方案

4.1 Doherty結構設計

DXY鼎芯實驗室采用NXP公司的高性能LDMOS，獨立設計出一種實用的Doherty結構，與模擬預失真芯片SC1887實現了完美結合。射頻方案中的預推動采用NXP RFSS BGA6589，推動級采用NXP BLM6G22-30G，末級采用NXP BLF6G22LS-130。

4.2 預失真電路實現

SC1887預失真電路通過調節RFin、RFout和FFFB三個端口與各個巴倫之間的匹配，在600MHz到2.8GHz的帶寬內正常工作。為了與功放更好的配合，在環路內使用兩個ATT電路，實時調節主通路和反饋通路的增益范圍，確保SC1887在一定的功率輸出動態范圍內有很好的表現。

4.3 電路調試與監控

本方案可通過SPI和計算機相連，隨時監控SC1887的工作狀態，使調試更加簡捷高效。同時，采用村田制作所的高Q電容和低差損電感，將三個端口回波控制在18dB以上，提高了電路的穩定性和性能。

五、測試結果與分析

5.1 測試數據

從測試數據可以看出，在Pout=44.7dBm時，對消后ACPR在52dBC以上，可以滿足3GPP頻譜發射模板。效率可以做到27%，比普通回退功放提高10%以上，顯著減少了能耗，遠遠超出運營商的招標要求，符合當今節能環保、綠色低碳的發展需求。

5.2 測試平臺

WCDMA 30W PA方案測試平臺包括信號源、功率計、頻譜分析儀等測試設備，用于對功放進行性能測試和驗證。

5.3 測試結果分析

通過分析測試結果，可以看出該方案具有以下幾大優勢：

1. 效率高：采用Doherty加模擬預失真的線性化技術，該方案與普通的HPA相比，效率至少提高10%以上。

2. 成本低：功放管在整個功放成本中占主要地位，同樣的功率輸出，該方案比傳統的HPA減少一半的使用量，節省成本。

3. 結構簡單，易于調試：簡化了預失真電路的結構，減少了外圍元器件的應用，使得整個電路更加緊湊，提高了整個系統的可靠性和一致性，便于生產調試。

六、功放的非線性失真及傳統模擬預失真的實現

功放的非線性失真特性主要由AM-AM失真、AM-PM失真兩個特性來表征。AM-AM失真是指輸出信號的幅度隨輸入信號幅度的變化而變化，AM-PM失真是指輸出信號的相位隨輸入信號幅度的變化而變化。

模擬預失真的原理就是要找到一個與功放非線性特性相反的非線性器件，與功放串聯，使兩者的非線性相互抵消，使最終功放輸出的信號保證在線性狀態下。為了保證足夠的對消效果，一般預失真都采用雙環結構，通過調節衰減和移相，使預失真信號與功放輸出信號進行合成，達到線性化的效果。

七、結論

本文采用Scintera公司內部集成的新型預失真芯片SC1887，配合NXP公司的BLF6G22LS-130和BLM6G22-30G，使用Doherty結構，最終完成WCDMA 30W功率輸出，為直放站客戶提供了一種針對20W整機的高效、節能的解決方案。該方案具有效率高、成本低、結構簡單易于調試等優點，能夠滿足當前通信系統對線性度和效率的高要求，具有廣闊的應用前景。