測(cè)量CDMA2000和W-CDMA高功率放大器中的射頻功率

CDMA2000 和 W-CDMA 基站中使用的高功率放大器 （HPA） 設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)精確的發(fā)射功率測(cè)量方面遇到了許多挑戰(zhàn)。復(fù)雜性包括高峰均比、隨基站呼叫負(fù)載變化的峰均比、較大的工作溫度范圍和較大的發(fā)射功率范圍。利用精確的RMS輸出功率測(cè)量，HPA制造商可以降低他們?cè)O(shè)計(jì)的最大功率。本文介紹了幾種在整個(gè)溫度范圍內(nèi)精確測(cè)量和控制RMS功率的方法。

CDMA2000和W-CDMA等復(fù)雜調(diào)制方案具有較大的峰均比。對(duì)于給定的最大平均輸出功率要求，由于基站頻譜模板和EVM要求，隨著峰均值的增加，設(shè)計(jì)的最大功率要求通常會(huì)增加（或線性化要求增加）。如果調(diào)制信號(hào)的峰值被削波，三階失真將會(huì)增加，導(dǎo)致基站無(wú)法滿足其頻譜模板要求。削波調(diào)制信號(hào)的峰值也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，使系統(tǒng)無(wú)法滿足其EVM要求。根據(jù)峰值功率傳輸要求設(shè)計(jì)HPA是昂貴的，但卻是必要的。增加的費(fèi)用是由于電氣元件的成本增加和HPA效率的降低。始終存在與HPA功率設(shè)計(jì)的最大功率相關(guān)的$/W，并且將HPA運(yùn)行在其飽和點(diǎn)以下是低效的。效率的降低會(huì)增加HPA模塊的成本，因?yàn)樗鼤?huì)增加用于散熱的機(jī)械結(jié)構(gòu)的成本，尺寸和重量，降低HPA的可靠性并增加其運(yùn)營(yíng)成本。

降低HPA的最大設(shè)計(jì)功率對(duì)HPA制造商來(lái)說很重要。HPA的飽和點(diǎn)越接近其平均功率，HPA的效率和成本效益就越高。有許多技術(shù)用于使HPA的飽和點(diǎn)盡可能接近平均發(fā)射功率，但這些技術(shù)都受到系統(tǒng)測(cè)量輸出功率能力的限制。HPA的最大設(shè)計(jì)功率需要通過RF功率測(cè)量容差（包括隨溫度的變化和峰均比）來(lái)增加，以確保頻譜模板和EVM合規(guī)性。這使得射頻功率測(cè)量系統(tǒng)的精度對(duì)于降低HPA的成本和效率至關(guān)重要。

CDMA2000和W-CDMA調(diào)制方案不僅具有較大的峰均值，而且峰均值隨特定基站的呼叫量而變化。例如，在CDMA2000 IS-95A中，前向鏈路波峰因數(shù)僅為導(dǎo)頻的6.6 dB，12個(gè)通道為64 dB（不使用CF減少技術(shù)）。較大的峰均值會(huì)導(dǎo)致非RMS響應(yīng)RF功率檢波器出現(xiàn)誤差。如果調(diào)制方案的大峰均比保持不變，則可以在生產(chǎn)中校準(zhǔn)出來(lái)，但基于用戶數(shù)量的峰均比變化更難處理。這需要跟蹤系統(tǒng)上有多少用戶，嚴(yán)格控制正在使用哪些Walsh代碼，以及一個(gè)非常大的查找表，以便知道特定時(shí)間信號(hào)的峰均比。更好的選擇是使用 RMS 響應(yīng)檢測(cè)器。與二極管檢波器或?qū)?shù)放大器不同，RMS響應(yīng)檢波器在很大程度上不受波峰因數(shù)變化的影響。圖1顯示了高性能對(duì)數(shù)放大器（AD8318）與RMS響應(yīng)檢波器（AD8364）的誤差，這是CDMA2000 IS-95A基站TX部分波峰因數(shù)變化（用戶負(fù)載）的結(jié)果。請(qǐng)注意，AD8318的輸出在CW和3通道CDMA5 IS-86A之間變化64.2000 dB（或95 mV），在僅導(dǎo)頻和2通道CDMA4 IS-64A之間變化2000.95 dB，而AD8364的輸出僅變化0.1 dB（或5 mV）。二極管檢波器的行為類似于對(duì)數(shù)放大器，其輸出電壓隨檢測(cè)信號(hào)的波峰因數(shù)而變化。如果該系統(tǒng)中使用對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行功率檢測(cè)，則需要通過信號(hào)處理消除檢測(cè)到的功率的2.4 dB變化，或?qū)⑵涮砑拥紿PA中設(shè)計(jì)的最大功率值。

圖 1：RMS 響應(yīng) RF 檢波器 （AD8364） 與非 RMS 響應(yīng) RF 檢波器的誤差顯示了峰均比對(duì)功率檢測(cè)的影響。非RMS響應(yīng)RF檢波器（AD8318）因其輸入信號(hào)的峰均比變化而表現(xiàn)出顯著的測(cè)量誤差，而RMS響應(yīng)RF檢波器（AD8364）在很大程度上不受峰均比變化的影響。

RMS響應(yīng)RF檢波器（AD8364）與非RMS響應(yīng)RF檢波器的誤差顯示了峰均比對(duì)功率檢測(cè)的影響。非RMS響應(yīng)RF檢波器（AD8318）因其輸入信號(hào)的峰均比變化而表現(xiàn)出顯著的測(cè)量誤差，而RMS響應(yīng)RF檢波器（AD8364）在很大程度上不受峰均比變化的影響。

能夠準(zhǔn)確測(cè)量HPA工作溫度范圍內(nèi)的RMS功率對(duì)于確定HPA的最大設(shè)計(jì)功率也至關(guān)重要。這種測(cè)量的精度（或缺乏）需要直接添加到設(shè)計(jì)的最大功率中，除非在整個(gè)溫度范圍內(nèi)執(zhí)行困難且昂貴的校準(zhǔn)過程。與HPA輸出功率檢測(cè)有關(guān)的所有組件（例如定向耦合器、衰減器等）都會(huì)隨溫度增加誤差，但大多數(shù)組件在HPA的工作溫度下變化很小。通常，測(cè)量HPA輸出功率隨溫度變化的精度與探測(cè)器的溫度性能直接相關(guān)。近年來(lái)，RF檢測(cè)技術(shù)在創(chuàng)建在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有非常穩(wěn)定的響應(yīng)（在–5°C至+ 40°C范圍內(nèi)優(yōu)于±.85dB）的器件方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。圖2顯示了雙通道RMS響應(yīng)功率檢波器AD8364的溫度性能。該數(shù)據(jù)是在+25°C（黑色）、–40°C（藍(lán)色）和+85°C（紅色）@ 450 MHz下拍攝的。它包括來(lái)自多個(gè)生產(chǎn)批次的至少 30 個(gè)器件的電壓和溫度誤差（環(huán)境校準(zhǔn)后）與輸入功率的關(guān)系。每個(gè)部件的行為隨溫度變化略有不同。

圖 2：當(dāng)溫度從 –8364°C 循環(huán)到 +450°C 時(shí)，ADI AD40 輸出電壓和對(duì)數(shù)一致性誤差與引腳 （@ 85 MHz） 的變化很小。 對(duì)于來(lái)自不同生產(chǎn)批次的 30 個(gè)器件來(lái)說，情況仍然如此，即使性能隨溫度略有不同。

當(dāng)溫度從–8364°C循環(huán)到+450°C時(shí)，ADI公司的AD40輸出電壓和對(duì)數(shù)一致性誤差相對(duì)于引腳（@ 85 MHz）的變化很小。 對(duì)于來(lái)自不同生產(chǎn)批次的 30 個(gè)器件來(lái)說，情況仍然如此，即使性能隨溫度略有不同。

不僅必須準(zhǔn)確測(cè)量HPA的最大輸出功率，而且還需要測(cè)量HPA整個(gè)發(fā)射功率范圍內(nèi)的輸出功率，盡管較低功率水平下的精度有時(shí)并不那么重要。但是，在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)測(cè)量的精度與檢波器和ADC分辨率有關(guān)。圖3顯示了兩個(gè)RMS響應(yīng)檢波器AD8364和ADL5500的輸出。ADL5500與輸入RF信號(hào)的均方根電壓呈線性關(guān)系，AD8364與輸入RF信號(hào)的均方根功率（dB）呈線性關(guān)系。根據(jù)對(duì)較低功率水平下的動(dòng)態(tài)范圍和精度的要求，ADL5500使用的ADC所需的分辨率可能遠(yuǎn)高于AD8364。系統(tǒng)要求將決定哪種檢波器/ADC將根據(jù)較低功率水平下的精度和動(dòng)態(tài)范圍要求提供最具成本效益和最容易實(shí)現(xiàn)的解決方案。

圖 3：將輸出與輸入 RMS 功率（以 dBm 為單位）成線性的檢波器（ADI AD8364）與輸出與輸入 RMS 伏特呈線性關(guān)系的檢波器（ADI ADL5500）進(jìn)行比較，可以看出動(dòng)態(tài)范圍的差異，并強(qiáng)調(diào)了選擇具有適當(dāng)分辨率的 ADC 的必要性。

將輸出與輸入RMS功率（以dBm為單位）成線性的檢波器（ADI公司AD8364）與輸出與輸入RMS電壓成線性關(guān)系的檢波器（ADI公司ADL5500）進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的差異，并強(qiáng)調(diào)選擇具有適當(dāng)分辨率的ADC的必要性。

在某些情況下，使用模擬反饋環(huán)路精確控制系統(tǒng)的功率或增益可以提高性能并取代簡(jiǎn)單的功率檢測(cè)。目前提供的許多檢測(cè)器除了檢測(cè)功率外，還可以使用模擬反饋環(huán)路（即控制器模式下使用的檢測(cè)器）來(lái)控制功率。如果在控制器模式下使用RMS響應(yīng)檢測(cè)器，則可以非常準(zhǔn)確地設(shè)置功率與輸入功率、溫度和波峰因數(shù)的關(guān)系。該功率可以非常精確地設(shè)置，并且可以使用由ADC控制的模擬電壓來(lái)改變其電平。在控制器模式下使用功率檢測(cè)器來(lái)精確控制HPA的輸入或輸出功率將是一個(gè)理想的應(yīng)用，因?yàn)樗鼘⑾龣z測(cè)輸入或輸出功率的需要。在控制器模式下，檢波器確定其輸入端的功率并調(diào)整VGA（或可變衰減器），直到檢測(cè)到的功率與功率控制輸入電壓設(shè)置的功率一致。圖4所示為在控制器模式下用于控制輸出功率的RMS響應(yīng)檢波器（AD8364）的基本原理圖。圖5顯示了當(dāng)VGA由AD8364（雙RMS響應(yīng)對(duì)數(shù)檢波器）的一側(cè)控制時(shí)，整體電路性能與輸入功率和溫度的關(guān)系。請(qǐng)注意，只要AD8364的功率電平設(shè)置正確，就可以在VGA和耦合器之間放置HPA，如果控制電壓設(shè)置正確，則可以使用任何VGA（或可變衰減器） 輸入功率范圍將接近檢波器的可檢測(cè)功率范圍（60 dB， 在AD8364的情況下）。

圖 4：在控制器模式下，檢波器確定其輸入端的功率并調(diào)整 VGA（或可變衰減器），直到檢測(cè)到的功率與功率控制輸入電壓 （VSTA） 設(shè)置的水平一致。

圖 5：當(dāng)ADI公司AD8364雙通道RMS響應(yīng)檢波器的一側(cè)用于控制系統(tǒng)功率時(shí)，檢波器輸入端（和Pout處）的功率與輸入功率和溫度（小于±.1 dB）保持恒定。

在控制器模式下，檢波器確定其輸入端的功率并調(diào)整VGA（或可變衰減器），直到檢測(cè)到的功率與功率控制輸入電壓（VSTA）設(shè)定的水平一致。

當(dāng)ADI公司AD8364雙通道RMS響應(yīng)檢波器的一側(cè)用于控制系統(tǒng)功率時(shí)，檢波器輸入端（和Pout端）的功率與輸入功率和溫度（小于±.1 dB）保持恒定。

在控制器模式下工作的雙RMS響應(yīng)檢測(cè)器也可用于非常精確地控制HPA的增益與輸入功率、溫度和波峰因數(shù)的關(guān)系。如果HPA模塊的增益在輸入功率、溫度和波峰因數(shù)上得到足夠精確的控制，則不必報(bào)告HPA模塊的輸出功率，但與饋送功率直接相關(guān)。如果雙路檢波器的兩個(gè)輸入都置于控制器模式，則檢波器確定每個(gè)輸入端的功率并調(diào)整VGA的增益，直到檢測(cè)到一個(gè)輸入端的功率等于另一個(gè)輸入端的功率。圖6顯示了用于控制系統(tǒng)增益的AD8364（雙RMS檢波器）的基本原理圖。圖 7 顯示了此設(shè)置的性能。需要精確控制的所有內(nèi)容都應(yīng)包含在兩個(gè)耦合器之間。請(qǐng)注意，可以使用VGA、可變衰減器甚至HPA的偏置來(lái)控制增益。如果檢測(cè)器和VGA之間的控制電平設(shè)置正確，功率電平設(shè)計(jì)正確，則可用輸入功率范圍將接近檢波器的可檢測(cè)功率范圍（AD60為8364 dB）。

圖 6：當(dāng)雙路檢波器的兩個(gè)輸入都用于控制器模式時(shí)，檢波器將控制 VGA（或 VVA 等），以均衡它在兩個(gè) RF 輸入端檢測(cè)到的功率。系統(tǒng)的增益將由用于設(shè)置雙檢波器檢測(cè)到的功率的耦合器和衰減器決定。

圖 7：當(dāng)ADI公司的雙通道RMS檢波器（AD8364）的兩個(gè)輸入都置于控制器模式時(shí)，增益相對(duì)于溫度和輸入功率的控制優(yōu)于±.15 dB，動(dòng)態(tài)范圍幾乎等于RMS檢波器的動(dòng)態(tài)范圍。

當(dāng)雙檢波器的兩個(gè)輸入都用于控制器模式時(shí)，檢波器將控制VGA（或VVA等），以均衡其在兩個(gè)RF輸入端檢測(cè)到的功率。系統(tǒng)的增益將由用于設(shè)置雙檢波器檢測(cè)到的功率的耦合器和衰減器決定。

當(dāng)ADI公司的雙RMS檢波器（AD8364）的兩個(gè)輸入都置于控制器模式時(shí)，增益相對(duì)于溫度和輸入功率的控制優(yōu)于±.15 dB，動(dòng)態(tài)范圍幾乎等于RMS檢波器的動(dòng)態(tài)范圍。

CDMA2000和W-CDMA系統(tǒng)中使用的HPA的RF功率檢測(cè)相關(guān)的許多挑戰(zhàn)都可以使用RMS響應(yīng)RF檢波器來(lái)解決。由于峰值與平均值隨基站負(fù)載、較大的工作溫度范圍和較大的發(fā)射功率范圍而變化，因此檢測(cè)到的功率變化現(xiàn)在可以管理?，F(xiàn)在有了新的方法來(lái)控制功率和增益，足夠精確，無(wú)需檢測(cè)功率。所有這些都使HPA制造商能夠降低成本，提高其HPA的可靠性。

審核編輯：郭婷