一种新颖的射频功率放大器电路结构

本文提出一种新颖的射频功率放大器电路结构，使用一个射频功率放大器实现gsm/dcs双频段功率放大功能，锐迪科的rda6218就是采用这种结构。射频功率放大器管芯由原来的两个减少为一个，同时此结构射频功率放大器及输出匹配网络与cmos控制器、射频开关集成至一个芯片模块，组成gsm/dcs双频段射频前端模块，如图1所示。
图1、gsm/dcs双频段射频前端模块示意图。
单芯片放大器电路
本设计中的射频功率放大器电路采用三级放大的电路形式。如图2所示，将射频功率放大器电路的第一级分成两个独立的输入端，分别对应于gsm 和dcs功率放大频段。然后共用第二级和第三级放大电路。在输出端实现了可以同时应用于gsm、dcs频段的输出匹配网络。由于第二级和第三级为gsm和dcs两个频段共用的电路放大级，因此在设计此两级电路时需要同时兼顾gsm和dcs两个频段的要求。
图2、双频段功率放大器电路原理图。
本电路中第三级设计为功率放大级，在通常电池电压供电的情况下，为使gsm频段和dcs频段功率输出分别达到35dbm和33dbm,因此gsm频段和dcs频段的功率输出阻抗分别设计为2ω和3ω。由于gsm频段输出功率大于dcs频段输出功率，因此设计第三级功率管q3最大输出功率达35dbm。
该电路中第二级为功率驱动级，因为需要同时覆盖gsm和dcs两个频段，频率范围很宽，因此设计第二级放大电路采用负反馈结构，将工作频率从gsm频段拓宽至dcs频段。同时，第二、三级级间匹配网络也设计为宽带匹配网络。本设计电路中，第二级和第三级的总体增益设计为25db，频率范围覆盖gsm和dcs频段。仿真结果如图3所示。
图3、第二级和第三级增益仿真结果。
由于高频段（dcs）的增益在第二和第三级时略低，因此设计第一级放大电路时，dcs频段第一级增益比gsm频段第一级高约3db。同时，在dcs 频段射频输入端加入滤波网络，如图2所示。此滤波网络对gsm频段信号起到带阻作用，同时对dcs频段信号起到带通作用，加入此滤波网络可有效地提高交叉隔离度。该滤波网络的仿真原理图与仿真结果分别如图4、图5所示。本设计电路gsm频段和dcs频段总增益仿真结果如图6、图7所示。
图4、dcs频段输入滤波网络仿真原理图。
图5、dcs频段输入滤波网络仿真结果
图6、gsm频段总增益仿真结果
图7、dcs频段总增益仿真结果
高隔离射频开关
本文设计的gsm/dcs双频段射频前端模块中，gsm/dcs双频段射频功率放大器管芯的输出端分别与gsm输出匹配网络和dcs输出匹配网络连接至同一节点。而dcs工作频段范围为1710mhz~1910mhz，覆盖了gsm频段（880mhz~915mhz）的二次谐波频率范围（1760mhz~1830mhz）。因此当gsm频段发射选通时，gsm频段射频信号的二次谐波可通过共同节点泄漏至dcs输出匹配网络，从而传输至天线。
虽然gsm频段发射选通时，射频开关dcs端为关闭状态，但由于普通射频开关处于关闭状态时，隔离度只有20db左右。因此，当gsm频段二次谐波信号较强时，仍有一定功率的射频信号通过射频开关dcs端耦合至天线，使得gsm频段发射时，天线端输出的gsm频段二次谐波信号较高，超出系统指标要求。为了满足通信系统要求谐波分量在-30dbm以下的要求，射频开关的dcs端设计为高隔离结构，当射频开关gsm端选通时，dcs端至天线端的隔离度高达80db，使得gsm频段信号的二次谐波无法通过射频开关dcs端传输至天线，从而极大地降低了两个频段之间的射频干扰。
本文小结
本文提出一种新颖的射频功率放大器电路结构，使用一个射频功率放大器实现gsm/dcs双频段功率放大功能。同时将此结构射频功率放大器及输出匹配网络与cmos控制器、射频开关集成至一个芯片模块，组成gsm/dcs双频段射频前端模块，其中射频开关采用高隔离开关设计，使得谐波满足通信系统要求。本文设计的gsm/dcs双频段射频前端模块，在gsm发射模式下，模块天线端输出功率为33dbm，效率38%，谐波抑制-33dbm以下；dcs发射模式下，模块天线端输出功率为30dbm,效率30%，谐波抑制-33dbm以下。