BA012Fx功放在WCDMA数据卡数据传输中的应用

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随着蜂窝网络数据传输速率的提升，数据卡以及手机对于数据传输的需求也日益增加。就WCDMA手机功放而言，由于手机经常在基站密集的城市区域使用，因此在中低输出功率范围内需要高效率的工作;在另一方面，对于数据传输来说，传输量的增加导致了PA更多地工作于高输出功率模式下。对于数据卡和手机来说，高功效对数据卡更加重要。因此很多功放厂家除提供用于手机的功放以外，还会专门开发适用于数据卡或者高速率数据传输领域的功放。三菱电机开发了一款用于数据传输的高效率功放“BA012Fx”，并已于近期发布。本文主要介绍BA012Fx系列的设计理念以及实验结果。
　　基于GaAs HBT工艺的数据卡用新型功放
　　GaAs HBT(砷化镓异质结双极型晶体管)放大器被广泛应用在CDMA手机领域。这是由于HBT比FET(场效应管)拥有更高的输出功率密度，而且HBT可以由一路偏置电压驱动。因此，HBT功率放大器在手机领域已经发展了多年。
　　三菱电机专门为数据卡开发了BA012Fx系列功放，该系列拥有5个频段，分别为Band1(1920MHz"1980MHz)、Band2(1850MHz"1910MHz)、Band3(1710MHz"1785MHz)、Band5(824MHz"849MHz)、Band8(880MHz"915MHz)，适用于亚洲、北美、欧洲以及日本的WCDMA网络。
　　图1显示了BA012Fx系列功放模块的外型，尺寸为3mm*3mm*1mm。最大输出功率为670mW(28.25dBm)， 功率附加效率(PAE)为45%，在同类功放产品中拥有最高等级的性能。该系列放大器内部集成了(i)衰减器：用于改变功放的增益以及降低低输入功率时的信噪比;(ii)耦合器：用于检测输出功率。我们还在衰减电路中增加了相位控制功能，在改变增益时可有效减少相位误差。
　　




　　图1 BA012Fx系列功放的外形尺寸仅为3mm*3mm*1mm。
　　目前，手机功放通常采用切换通路的方式来提高中低输出功率下的性能。但是提供通路切换功能的开关电路自身的损耗会降低整个功放的功率附加效率(PAE)。因此BA012Fx系列功放在末级输出通路上没有使用任何开关电路，从而实现高输出功率时高功率附加效率的目的。
　　图2为数据卡功放的结构框图。该功放模块由两级放大器和一个位于一级放大器与二级放大器之间的衰减器组成。这样的结构可以降低在低增益模式下的噪声系数。使用BiFET(双极性场效应管)作为衰减器是为了减少芯片的尺寸，因为同一芯片上可以提供FET开关电路。因此芯片尺寸要比使用双极性晶体管的开关电路小。采用三维电磁分析，使线路布局更加合理。使用了单步衰减电路，如图3所示。在高增益模式下，FET的SW1开启，SW2关闭;射频信号可以直接通过，此时损耗最小。在低增益模式下，FET的SW1关闭SW2开启，信号通过串联电阻和并联电阻后损耗了14dB。为了补偿衰减器在开关时的相位变化，加入了串联电容C1。
　　




　　图2：功率放大器架构框图。
　　




　　图3：衰减器电路图。
                          
                       
                          
                                性能测试结果

　　根据上述设计描述，我们测试了三菱电机BA012F5(WCDMA Band 5)的性能。调制信号为WCDMA(3GPP-R99)，应用偏置电压为3.4V 。图4显示了放大器的S参数测量结果。增益步长为13dB，当衰减器打开时，相位变化≤10°。两种模式下的输入反射损耗(S11)小于-10dBc。
　　




　　图4：放大器的S参数测量结果。
　　图5显示了ACLR与输出功率等级的关系。该放大器的最大输出功率为28.25dBm，线性增益为27dB，PAE为45%，ACLR为-40dB。相较于传统的功放，PAE提高了5%左右。
　　




　　图5：ACLR与输出功率等级的关系。
　　图6显示了耦合器的性能(VSWR2.5：1)。耦合系数变化小于0.6dB。BA012Fx系列是针对Band1、Band2、Band3、Band5和Band8开发设计的。BA012Fx系列所有的功放都满足PAE=45%，ACLR=-40dBc。
　　




　　图6：耦合器的性能(VSWR2.5：1)
　　本文小结
　　我们测试了三菱电机专用于数据卡的BA012Fx系列功放，本文对其电路和性能做了介绍。该系列放大器采用了单步衰减电路来控制增益，用相位补偿电路来优化增益改变时的相位变化。实现了最高等级45%的功率附加效率，比传统功放提高5%左右。
　　




　　图7： 用于手机和数据卡的功放架构框图。