朱 亮 ¹ ，武敬飛 ²

1.中電科儀器儀表(安徽)有限公司 安徽 蚌埠 233010

2.電子信息測試技術安徽省重點實驗室 安徽 蚌埠 233010

摘?要：介紹了LTE-A增強型MIMO技術的基本要求，并結合可調(diào)衰減器、對數(shù)檢波器、放大器、功分耦合電路、AD、DA和FPGA設計了一種數(shù)字穩(wěn)幅環(huán)路，滿足LTE等標準通信制式40 MHz信號帶寬和μS級響應時間要求，并經(jīng)過印制板加工及測試，實驗結果滿足設計指標。

關鍵詞：MIMO; ALC; 寬帶放大器; 衰減器

0 引言

LTE-A ^[1] 是在LTE基礎上的繼續(xù)演進,其目標是滿足國際電信聯(lián)盟無線部門(ITU-R)IMT-Advanced的需要,同時支持與LTE的后向兼容性。LTE-A最基本的特征就是支持更高的數(shù)據(jù)速率,其中增強型MIMO技術被認為是LTE-A為達到更高的峰值速率而采用的主要技術。LTE-A在保證較高數(shù)據(jù)速率的同時對輸出信號的功率穩(wěn)定度要求也不斷提高，為了實現(xiàn)這一關鍵技術，必須對輸出射頻信號進行閉環(huán)幅度控制(Auto LevelControl,ALC) ^[2] 。

1 閉環(huán)幅度控制(ALC)基本工作原理

針對射頻CW信號、矢量調(diào)制信號以及通信制式信號進行輸出時，尤其對標準通信制式信號而言，其最大輸出功率、絕對功率控制容限、相對功率控制容限、聚合功率控制等多項主要指標測試都和下行信號的幅度穩(wěn)定度、精度密切相關，如果要實現(xiàn)信號的穩(wěn)定輸出，就必須對輸出信號進行閉環(huán)幅度控制（ALC Auto LevelControl），傳統(tǒng)ALC穩(wěn)幅環(huán)路采用負反饋模擬積分環(huán)路實現(xiàn)信號的穩(wěn)定輸出，輸出信號發(fā)生變化時，耦合功率通過反饋電路檢波后進入積分求和電路，在積分求和電路中與參考預置電壓比較，求出差值控制壓控衰減器調(diào)節(jié)衰減器量，保證射頻輸出功率的穩(wěn)定性，其原理如圖1所示。

圖1中射頻輸出功率動態(tài)范圍往往受限于二極管檢波器和相關電路，造成輸出功率范圍遠遠小于壓控衰減器的功率動態(tài)范圍；ALC調(diào)制帶寬受限于ALC系統(tǒng)的遲滯特性；另外，由于ALC穩(wěn)幅環(huán)路響應時間較長，無法滿足通信標準制式信號響應時間要求。

針對這些缺點，本文提出新型數(shù)字穩(wěn)幅環(huán)路，該穩(wěn)幅環(huán)路結合壓控可調(diào)衰減器、對數(shù)檢波器、放大器、功分耦合電路、AD、DA和FPGA組成，其原理如圖2所示，射頻輸出信號功分/耦合功率經(jīng)該檢波器輸出模擬電壓，該電壓經(jīng)過AD處理，處理后數(shù)字電壓在FPGA中與參考AD值進行比較求得差值，該差值與預置DA值求和或差，將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過DA處理控制壓控調(diào)制器的衰減量，從而保證輸出信號功率的穩(wěn)定。

通過調(diào)節(jié)射頻輸出反饋功率到實時對數(shù)檢波器的線性范圍，實現(xiàn)可變壓控衰減器32 dB的動態(tài)范圍；同時，通過高速AD、DA、FPGA數(shù)據(jù)采集處理，ALC環(huán)路帶寬滿足LTE等標準通信制式帶寬，能夠達到40 MHz信號帶寬，且穩(wěn)幅環(huán)路響應時間滿足LTE信號μs級響應時間要求。

2 方案設計與實現(xiàn)

1)射頻發(fā)射通路放大器設計

為了避免在增強型MIMO射頻發(fā)射通路中中衰減器、開關、濾波器以及功分器對輸入信號存在較大的損耗，保證通信矢量信號在最終輸出端功率滿足設計指標，需要在射頻發(fā)射通路中進行功率放大從而補償信號差損。為了實現(xiàn)100 kHz~6G Hz射頻信號的穩(wěn)幅輸出，在600 MHz~6.0 GHz頻段內(nèi)采用FGB-1509A寬帶放大器進行放大，而100 kHz~600 MHz頻段信號是射頻信號與2 GHz本振信號混頻產(chǎn)生，混頻器選用ADE42，該混頻器變頻損耗達到7.5 dB，且混頻后產(chǎn)生的信號需要經(jīng)過650 MHz低通濾波器進行濾波，信號損耗較大，同樣需對信號進行補償，這里選用Mini公司的ERA-5SM進行放大。HMC788LP2E放大器P1 dB壓縮點達到20 dBm，故本模塊在最后一級放大采用該芯片，各放大器器件指標如表1所示。

由表1器件指標可以看出，射頻發(fā)射通路通過采用三級放大 ^[4] 方式，通路輸出功率能夠達到8 dBm，保證信號發(fā)生器最終輸出大于10 dBm的功率。各放大器偏置通過8 V電壓供電，供電電壓經(jīng)過偏置電阻、去耦電容和RFC到放大器輸出端壓降為5 V，對于去耦電容和RFC的選取需要通過工作頻段進行調(diào)試，輸入輸出端口隔直電容C1、C2根據(jù)最小工作頻率100 kHz選取值為0.1μF，ERA-5SM和HMC788LP2E放大器最終設計電路如圖3所示。

2)射頻發(fā)射通路預置衰減器設計

當MIMO射頻發(fā)射通路輸入信號大于0 dBm時，會出現(xiàn)整個射頻通路在輸入前端就存在功率壓縮的可能，針對此種情況，本方案在射頻通路輸入端加入數(shù)控衰減器 ^[3] HMC624LP4，該器件主要器件指標如表2所示。

由表2可知，HMC624LP4插入損耗較小，在整個頻段具有31.5 dB的衰減范圍，且具有較高的1 dB壓縮點和3階截斷點。該器件具有串行和并行控制兩種模式，通過分析比較，本方案選取并行控制方式，控制電壓由穩(wěn)幅板FPGA提供，其控制電路如圖4所示，其中C5~C8電容值由最低輸入頻率決定，這里最低輸入頻率為600 MHz，故選取電容值為330 pF。經(jīng)實際測試，30 dB衰減量按送數(shù)控制滿足設計指標，保證了整個變頻通路功率滿足不壓縮，且該衰減器在后期軟件校準過程中能夠參與整機校準。

3)射頻通路設計

射頻CW信號、矢量調(diào)制信號以及通信制式信號輸入到增強型MIMO射頻發(fā)射通路時該模塊主要完成對射頻信號進行通路放大，頻率擴展以及參與ALC穩(wěn)幅設計等功能。射頻發(fā)射穩(wěn)幅環(huán)路原理框圖如圖5所示。該電路從射頻輸出口取樣檢波，經(jīng)過A/D進入FPGA。FPGA對該信號進行分析處理后，產(chǎn)生相應控制信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號控制可調(diào)衰減器，完成射頻信號輸出功率自動控制功能。

由于射頻模塊器件輸入輸出負載阻抗為50 Ω，故要求本方案信號射頻走線阻抗 ^[5] 同樣為50 Ω，本文印制板使用疊層的方式，其中第一層介質(zhì)材料為Rogers4350B,板厚為20 mil，介電常數(shù)為3.48，通過仿真軟件Polar Si9000計算得到射頻走線寬度為40 mil。

根據(jù)圖5所示原理框圖，畫出相應的PCB外協(xié)加工，將加工的印制板安裝到提前設計好的屏蔽盒中，結合開閉環(huán)測試程序進行測試，安捷倫N9020A測試結果如圖6所示，其中圖6為輸出信號功率測試結果，由測試結果滿足設計指標。

3 結論

閉環(huán)幅度控制在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，其性能決定了通信系統(tǒng)信號功率指標的好壞。本文基于壓控可調(diào)衰減器、對數(shù)檢波器、放大器、功分耦合電路、AD、DA和FPGA設計的數(shù)字穩(wěn)幅環(huán)路滿足LTE-A等標準通信制式功率、帶寬和響應時間的要求，從而被廣泛應用于無線通信系統(tǒng)領域。

參考文獻：

[1] 張運中. TD-LTE/TD-SCDMA多頻多模終端射頻一致性測試系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]. 北京：北京郵電大學，2015.

[2]王炳基. 微波超寬帶功率電平控制技術研究[D]. 成都電子科技大學，2012.

[3]文春華. 寬帶程控步進衰減器的設計及實現(xiàn)[J]. 全國微波毫米波會議論文集，2007.

[4]池保勇,余志平,石秉學.CMOS射頻集成電路分析與設計[M].北京：清華大學出版社,2006

[5]欒秀珍,房少軍,金紅,邰佑誠.微波技術[M].北京：北京郵電大學出版社,2009

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第46頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。