TD-SCDMA射频功率放大器研究

　　功率放大器瞬态响应上升时间与图4中的C1、R1和R4密切相关,其中C1和R1是管子内部的参数,由所使用的功率晶体管型决定;而R4与偏置电路有关,可以通过改变R4的大小来改变整个功率放大器的瞬态响应。图5就是在R4的不同阻值下的功率放大器电路的瞬态响应。从图中可以看出,当R4=10Ω时,功放的栅极偏置电压的上升时间为0.6us;当R4=20Ω时,上升时间变为1.1us;当R4=30Ω时,上升时间为1.6us。也就是说,随着电阻R4 阻值的增大,功率放大器栅极偏置电压的上升时间也随之增大。

　　图6给出了偏置电路中R4不同取值时功率放大器的EVM测试值。从图6可以看出,偏置电压上升得越快,对EVM的恶化越小;反之,对EVM的恶化就越大。测试中还发现,如果上升时间过长,甚至可能导致信号无法解调。由此可见,功率放大器瞬态响应的上升时间与EVM确实有着必然的联系。

　　根据TD-SCDMA相关规范,要求收、发切换时开关的上升时间必须小于2?滋s,这正是从保护信号完整传输和避免EVM指标恶化这方面来考虑的。而通过选择合适的功率放大器晶体管并设计合适放大器的偏置电路和开关控制信号,完全可以满足国家提出的标准,甚至可以使得开关的上升时间小于1us。

　　
功率放大器偏置电压控制信号设计

　　如图6所示,即使功率放大器的瞬态响应上升时间小至1us,放大器工作在时分双工模式时的EVM仍然大于1.2%,仍然大于功率放大器处于常开模式下的 EVM指标,即功率放大器的瞬态响应仍然对信号质量造成了恶化。显然,由于功率放大器本身以及偏置电路的影响,功率放大器的瞬态响应上升时间不可能为零,因此不可避免地会产生削波现象,从而恶化EVM指标。

　　为了避免功率放大器的瞬态响应上升时间对EVM的影响,就必须保证在TD-SCDMA信号到来时,功放的瞬态响应已经结束,即功放开关已经完全打开。因此,必须把功放的打开时间提前。由于TD-SCDMA系统是一个同步系统,具有统一的时钟参考和同步控制,因此实现开关的提前打开控制并不困难,本文对此不作论述。至于开关打开的提前量设为多少比较合适,则要根据具体的功放电路的瞬态响应速度来决定。实验中,当功放开关的上升时间为1.5us时,改变开关打开的提前量,得到相应情况下的EVM数值如图7所示。

　　由图7可见,当功放开关不提前打开时,EVM值大于1.5%;而随着打开提前量的逐渐增加,EVM的值也逐渐减小;当开关打开的提前量增加到与该功放打开的上升时间相当时(本例中为1.5us),EVM数值则下降到与常开模式下的EVM数值完全相同的水平;若继续增大开关打开的提前量,EVM则保持不变。由此可知,当功放开关打开的提前量不小于功放本身的打开上升时间时,功放在TD-SCDMA信号到来时就已经处于完全打开的状态,瞬态响应已经结束,也就不会产生对信号的削波现象,自然也就不会对EVM有额外的恶化。

　　由图3可以看出,在TD-SCDMA常规时隙之间,只有12.5us的保护间隔（GP）,也就是在上、下行切换的可变切换点,只有12.5us的上、下行保护时间。考虑到必须保证上、下行之间要有很好的隔离效果来保证系统的稳定运行,国家规定上行(或下行)开关完全关断与下行(或上行)开关开始打开之间必须有大于3us的保护时间;而且TD-SCDMA收发设备本身还可能有3?滋s～5?滋s的延时。因此即使可以通过开关的提前打开来减小EVM的恶化,开关打开的提前量也是严格受限的。例如：由于下行开关的打开提前量过大可能造成上行还未完全关断时,上行就已经打开的情况,此时上、下行同时工作,很容易产生自激等不稳定的后果,造成系统故障。因此,国家对上下行之间的保护时间、上下行功率开关的开关速度以及上下行功率开关的打开提前量和关闭滞后量都有明确而严格的规定,这里不作具体介绍。从上面的分析可以看出,在开关的打开速度够快的前提下(小于2?滋s),通过开关的提前开启(开关的打开提前量不小于开关打开 的上升时间)可以使得功放在时分双工模式下的EVM指标达到常开模式下的水平,即此时开关的瞬态响应并不会使信号质量恶化,功放能够良好运行。

本文分析了TD-SCDMA功率放大器的EVM指标在时分双工模式下和常开模式下的区别。通过对功放的瞬态响应解释了功放在时分双工模式下对EVM的恶化主要来自于功率开关打开时间的限制,即开关打开时间越长,对EVM造成的恶化越大。为了深入地分析功放的瞬态响应,本文建立了一个二阶R-C模型,介绍了制约功放瞬态响应的相关因素。最后,提出了改善TD-SCDMA功率放大器时分双工模式EVM指标的方案：提高功放开关的打开速度以及实现功放开关的提前打开。给出了具体的建议：功放开关的上升时间小于2?滋s;功放开关打开的提前量不小于功放开关的上升时间。经检