基于单个功放的双频段RF前端设计

基于单个功放的双频段RF前端设计

在现代无线通信系统中，射频功率放大器是射频信号无线传输的关键器件。 由于移动通信用户数量的增加，单一频率资源已经远远不能满足用户通话的需求，这就需要移动通信运营商开辟新的频段来扩大用户容量，因此多频手机成为广泛使用。 多频手机是指在同一移动通信网络制式下，可以使用不同频段进行传输的手机。 由于使用不同的频段进行传输，因此手机中也需要使用不同频段的射频功率放大器来实现。

目前，GSM系统是全球应用最广泛的移动通信标准。 应用于GSM系统的射频前端架构主要包括GSM/DCS双频功放模块和单刀四掷（SP4T）射频开关模块。 其中，GSM/DCS双频功放模块大多采用GSM和DCS两个频段的单频射频功放内核，并将相应的输入输出匹配网络和CMOS控制器封装在一个芯片模块中，实现双频-变频运行。 SP4T射频开关模块大多采用GSM/DCS双频滤波器与SP4T开关芯片集成的方法。

本文提出了一种新颖的射频功率放大电路结构，利用射频功率放大器实现GSM/DCS双频段的功率放大功能。 RDA就采用了这种结构。 射频功放核心由原来的两个减少为一个。 同时将射频功率放大器和输出匹配网络的结构、CMOS控制器和射频开关集成到一个芯片模块中，构成GSM/DCS双频射频前端模块，如图所示1 所示。

图1 GSM/DCS双频射频前端模块示意图。

单片放大器电路

本设计中的射频功放电路采用三级放大电路形式。 如图2所示，射频功率放大电路的第一级分为两个独立的输入端，分别对应GSM和DCS功率放大频段。 然后共用第二级和第三级放大电路。 输出端实现了可同时适用于GSM和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，因此在设计两级电路时需要兼顾GSM和DCS两个频段的要求。

图 2. 双频功放电路原理图。

该电路中的第三级设计为功率放大级。 在电池电压供电正常的情况下，为了使GSM频段和DCS频段的功率输出分别达到35dBm和33dBm，分别设计GSM频段和DCS频段的功率输出阻抗为为 2Ω 和 3Ω。 由于GSM频段的输出功率大于DCS频段的输出功率，因此第三级功率管Q3的最大输出功率设计为达到35dBm。

本电路中的第二级为功率驱动级，由于需要同时覆盖GSM和DCS两个频段，且频率范围很宽，因此第二级放大电路的设计采用负反馈结构将工作频率从GSM频段拓宽到DCS频段。 同时，第二层和第三层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的仿真结果。

由于第二级和第三级高频段（DCS）的增益略低，因此在设计第一级放大电路时，DCS频段第一级的增益比第一级高3dB左右。 GSM频段的第一阶段。 同时，在DCS频段的射频输入端增加了一个滤波网络，如图2所示。这个滤波网络对GSM频段信号起到带阻的作用，同时也起到滤波网络的作用。 DCS频段信号的带通功能。 添加这个过滤网络可以有效地提高交叉隔离。 滤波网络的仿真原理图和仿真结果分别如图4和图5所示。 图6和图7分别为设计电路在GSM频段和DCS频段的总增益仿真结果。

图4 DCS频段输入滤波网络仿真示意图。

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

在本文设计的GSM/DCS双频射频前端模块中，GSM/DCS双频射频功放芯片的输出与GSM输出匹配网络和DCS输出匹配网络连接到同一节点。 。 DCS工作频率范围为~，覆盖了GSM频段（~）的二次谐波频率范围（~）。 因此，当GSM频段传输选通时，GSM频段RF信号的二次谐波可以通过公共节点泄漏到DCS输出匹配网络，从而传输到天线。

虽然在GSM频段选通时，射频开关的DCS端处于关断状态，但普通射频开关在关断状态时的隔离度只有20dB左右。 因此，当GSM频段的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的DCS端耦合到天线，使得在GSM频段发射时，天线输出的GSM频段的二次谐波信号比较高。 超出系统指标要求。 为了满足通信系统谐波分量应低于-30dBm的要求，射频开关的DCS端设计了高隔离结构。 当选用射频开关的GSM端时，DCS端到天线端的隔离度高达80dB，使得GSM频段的信号二次谐波无法通过DCS端传输到天线。射频开关，从而大大降低了两个频段之间的射频干扰。

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双频段的功率放大功能。 同时，将该结构的射频功率放大器和输出匹配网络与CMOS控制器和射频开关集成在一个芯片模块中，构成GSM/DCS双频射频前端模块。 射频开关采用高隔离开关设计，使谐波满足通信系统要求。 。 本文设计的GSM/DCS双频射频前端模块，在GSM传输模式下，模块天线输出功率为33dBm，效率为38%，谐波抑制在-33dBm以下； 在DCS传输模式下，模块天线输出功率30dBm，效率30%，谐波抑制在-33dBm以下。