LTE微型直放站的研究與設(shè)計(jì)

李世文，李立聰

(1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000；2.深圳佳姆斯科技有限公司，廣東 深圳 518110)

0 引言

在工程安裝中，直放站一端連接室外天線，另外一端連接室內(nèi)天線，下行信號(hào)通過(guò)室外的天線接收，然后直接送到直放站經(jīng)過(guò)五級(jí)放大[1-2]之后，由室內(nèi)天線把信號(hào)輻射出去。室內(nèi)天線接收手機(jī)的上行信號(hào)，同樣經(jīng)過(guò)微型直放站的五級(jí)放大之后由室外天線輻射出去。由于系統(tǒng)工作頻段高[3]，所以直放站在使用中很容易由于外界的因素產(chǎn)生自激[4-5]，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)不良影響。同時(shí)微波電路的阻抗匹配[6-7]也是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。所以為了讓直放站不產(chǎn)生自激[8-9]的同時(shí)進(jìn)一步降低成本，設(shè)計(jì)出了一款微型直放站。

1 總體設(shè)計(jì)

微型直放站電路主要包括RF上行電路、RF下行電路和單片機(jī)智能控制電路，控制電路采用STC單片機(jī)進(jìn)行控制，控制增益和衰減等，原理如圖1所示。

信號(hào)經(jīng)過(guò)雙工器之后，饋入低噪聲放大器，低噪聲放大器帶寬很寬，噪聲抑制能力強(qiáng)，可以減少帶外信號(hào)的干擾，增加信號(hào)的隔離度。信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪放之后，對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大，同時(shí)還增加了調(diào)節(jié)位置用來(lái)進(jìn)行信號(hào)增益和衰減控制。

圖1 微型直放站原理圖

本文采用的五級(jí)放大雖然可以得到較大增益，但是電路很容易不穩(wěn)定，產(chǎn)生自激，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，采用多級(jí)BAW濾波、LNA和單片機(jī)智能控制技術(shù)來(lái)防止電路自激。由于阻抗匹配也是整個(gè)電路的關(guān)鍵，如果阻抗不匹配將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)發(fā)射不出去，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞設(shè)備。所以本文在電路設(shè)計(jì)時(shí)采用的LNA放大管和信號(hào)放大器等在內(nèi)部與50 Ω電阻進(jìn)行了內(nèi)部匹配，再利用單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的底噪和隔離度，更加快速地對(duì)電路進(jìn)行控制，有效防止自激。

2 射頻模塊指標(biāo)分析

射頻部分的控制電路主要有雙工器、ALC、LNA、功率放大、SiGe放大和BAW濾波。需要注意的是在設(shè)計(jì)中各項(xiàng)指標(biāo)需要符合要求，器件采用內(nèi)匹配50 Ω，如果不滿(mǎn)足阻抗匹配的要求，需要加匹配網(wǎng)絡(luò)。具體射頻電路上行電路的相關(guān)器件的指標(biāo)及輸出功率如圖2所示，下行也是同樣的原理。

完成RF射頻電路的指標(biāo)分配后，可以通過(guò)安捷倫的仿真軟件AppCAD計(jì)算出各級(jí)的相關(guān)參數(shù)[10]。

采用AppCAD來(lái)完成RF射頻電路的下行增益、噪聲系數(shù)和OIP3等的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由軟件計(jì)算結(jié)果可知，系統(tǒng)下行增益為78.1 dB；噪聲系數(shù)NF=1.64 dB；OIP3=21.93 dBm。所選器件滿(mǎn)足最初的設(shè)計(jì)要求。

3 電路設(shè)計(jì)

具體的電路設(shè)計(jì)主要包括雙工器電路、低噪聲放大電路、SGA-6489放大電路、ATT 電路、AGC電路和單片機(jī)控制電路等。

3.1 雙工器電路設(shè)計(jì)

雙工器的作用是將發(fā)射的RF信號(hào)和接收的RF信號(hào)分開(kāi)，其上下行電路如圖4和圖5所示。其中，PD22-73為合路/合路器，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻分合路，讓微型直放站可以向下兼容。由于是全雙工的，能同時(shí)接收和發(fā)送信息。這樣就需要雙工器具有良好的隔離度，同時(shí)需保證在信號(hào)傳輸時(shí)，過(guò)渡帶外抑制滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。由于PA是和LNA通過(guò)雙工器連接在一起，雙工器對(duì)LNA低噪放會(huì)產(chǎn)生影響，所以在雙工器選擇時(shí)注意不要讓LNA使其噪聲系數(shù)惡化。首先來(lái)分析一下LNA的噪聲基底，由于本設(shè)計(jì)采用的PA增益是12.5 dB，噪聲系數(shù)為6 dB，本設(shè)計(jì)的雙工器的隔離度為80 dB，LNA噪聲系數(shù)為1.1 dB，電磁底噪水平為-121 dB，PA的輸出噪聲基底為：

N1=-121+12.5+6=-102.5 dBm。

通過(guò)雙工器衰減后進(jìn)入LNA的噪聲N2=-102.5-80=-182.5 dBm，而LNA的噪聲系數(shù)為3 dB，所以LNA的輸入噪聲基底N3=-121+3=-118 dBm，顯然有N3>N2，所以采用本雙工器的LNA的噪聲基底不至于進(jìn)一步惡化[11]。

圖4 下行雙工器電路

圖5 上行雙工器電路

另外就是隔離度的問(wèn)題，由于需要對(duì)上下行信號(hào)進(jìn)行放大，如果隔離度不好的話(huà)非常容易引起自激。系統(tǒng)引起自激的條件是：

GD+GU-(R1+R2)≥0 dB，

(1)

φD+φR2+φU+φR1=2nπ(n=0，1，2，…)。

(2)

式(1)為需要滿(mǎn)足的幅度條件，其中R1，R2是雙工器的隔離度；GD，GU分別為直放站下行和上行增益。式(2)為相位條件，其中φD，φR2，φU，φR1分別為相應(yīng)的相位。本文采用的雙工器收發(fā)隔離度為80 dB，上行增益約為80 dB，下行增益約為75 dB。由式(1)得：

GD+GU-(R1+R2)=80+75-160<0 dB，

理論上滿(mǎn)足要求。

3.2 射頻放大電路設(shè)計(jì)

射頻放大電路的噪聲系統(tǒng)是系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，電路的整體噪聲系數(shù)主要由所選擇的放大器的參數(shù)決定，尤其是第一級(jí)放大電路所起的作用最大。

在電路中，射頻放大電路主要包括LNA低噪放電路、功率推動(dòng)放大電路和功率放大電路[12-14]。所以，第1級(jí)LNA微波放大器要求性能優(yōu)異，選用RFMD公司的低噪放SGA8343，這是一款性?xún)r(jià)比很高的放大芯片，SGA8343有0～6 GHz 的帶寬，在1.9 GHz最大增益為19.3 dB，其噪聲系數(shù)F為1.1 dB，內(nèi)部匹配50 Ω，具體電路如圖6所示。其中C36為耦合電容，它隔斷直流，允許RF信號(hào)通過(guò)，C37，C98濾波，電感L6，L7阻值比較大，直流信號(hào)可以通過(guò)，高頻RF信號(hào)無(wú)法通過(guò)，防止RF信號(hào)饋入電源。電阻R16，R17，R18，R19，R20構(gòu)成直流偏置電路，為放大器提供合適的電流，與電源供電連接的相關(guān)電容主要是高頻濾波，進(jìn)一步減少高頻信號(hào)進(jìn)入供電電源。

圖6 LNA電路

推動(dòng)級(jí)功放芯片選用 RFMD公司的SGA-6489芯片，它是一款高性能的SiGe HBT MMIC芯片，其工作頻段在0～3.5 GHz，在1.95 GHz具有17.5 dB 增益，輸出1 dB 壓縮點(diǎn)為20.7 dBm，三階交截點(diǎn)IP3的輸出功率是32 dBm，隔離度為22.2 dB，噪聲系數(shù)為3 dBm。SGA-6489放大電路如圖7所示。

圖7 SGA-6489放大電路

其中共有4個(gè)引腳，1引腳是RF輸入，2，4引腳是接地，3引腳是RF輸出和直流偏置，在3引腳的輸出加C9，以免引入直流。L1為通直隔交流電感，C14為隔直電容，其他電容為濾波電容。偏置電阻使放大管工作在正確狀態(tài)。

3.3 ATT和AGC的相關(guān)電路設(shè)計(jì)

ATT即增益調(diào)節(jié)技術(shù)，在下行時(shí)通過(guò)ATT可以對(duì)大信號(hào)進(jìn)行控制，以防其進(jìn)入放大單元，上行時(shí)通過(guò)其調(diào)節(jié)增益，還可以通過(guò)其調(diào)節(jié)上行噪聲底來(lái)防其對(duì)基站的干擾。同時(shí)通過(guò)它阻止大信號(hào)進(jìn)入上下行電路。所以ATT在電路中是不可缺少的，ATT的實(shí)現(xiàn)可以采用模擬或者數(shù)字的方式。

本文采用了模擬和數(shù)字2種調(diào)節(jié)技術(shù)，主要介紹模擬調(diào)節(jié)技術(shù)，模擬采用HSMP-3814。它工作時(shí)根據(jù)RF輸出信號(hào)的大小和單片機(jī)發(fā)出的調(diào)節(jié)指令來(lái)控制2個(gè)二極管的偏壓，改變其HSMP-3814導(dǎo)通阻抗，使電調(diào)衰減網(wǎng)絡(luò)衰減量在其范圍內(nèi)連續(xù)可變。

具體衰減電路如圖8所示，由系統(tǒng)饋輸出的信號(hào)來(lái)控制衰減電路的電壓，這樣，加在HSMP-3814上的電壓就連續(xù)可變，電路中R12，R46為偏置電阻，L16，L5為高頻抑制電感，電容主要起濾波和隔直作用。

圖8 HSMP-3814衰減電路

AGC為自動(dòng)增益控制，主要通過(guò)控制系統(tǒng)的增益來(lái)控制RF輸出信號(hào)的電平或功率[15]。具體電路如圖9所示，其中UL-DEC從RF輸出端反饋過(guò)來(lái)，RF輸出端通過(guò)檢波二極管將RF交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，然后該直流信號(hào)送入到LM393的UL-DEC端，LM393為一比較器，通過(guò)該比較器可以判斷RF信號(hào)的電壓是否達(dá)到門(mén)限值，如果達(dá)到輸出RF電平門(mén)限值，則其跳變，三極管導(dǎo)通，然后信號(hào)UL-PD為高電平可以直接送到單片機(jī)端來(lái)實(shí)現(xiàn)功率檢測(cè)。此外，從RF輸出端反饋的信號(hào)送到LM393的另外一個(gè)比較器LM1A中，通過(guò)該比較器比較RF輸出信號(hào)是否過(guò)大來(lái)控制LM1A的跳變，如果該LM1A跳變則通過(guò)UL-AGC-ATT端傳輸?shù)剿p電路通過(guò)控制HSMP-3814進(jìn)行衰減。

圖9 AGC調(diào)節(jié)電路

3.4 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)電路主要完成整個(gè)系統(tǒng)的控制，如圖10所示。

圖10 單片機(jī)控制電路

在系統(tǒng)上電時(shí)通過(guò)單片機(jī)關(guān)閉系統(tǒng)的下行鏈路，對(duì)上行鏈路自動(dòng)進(jìn)行底噪功率測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中單片機(jī)通過(guò)控制衰減電路，每次衰減1 dB，在衰減過(guò)程中單片機(jī)不斷檢測(cè)系統(tǒng)輸出的底噪功率，判斷底噪功率是否滿(mǎn)足線性變化的要求。

衰減到一定程度后，底噪功率不再按線性規(guī)律變化，單片機(jī)把此數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，獲得系統(tǒng)最小增益。單片機(jī)對(duì)下行鏈路功率的測(cè)試與此類(lèi)似，這樣不但可以通過(guò)單片機(jī)判斷系統(tǒng)隔離度的情況，同時(shí)可以通過(guò)單片機(jī)對(duì)上行鏈路的控制來(lái)保持上行鏈路的數(shù)據(jù)平衡。

由單片機(jī)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，無(wú)需人工干預(yù)。也就是說(shuō)，設(shè)備根據(jù)外界環(huán)境情況，自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，可以保護(hù)設(shè)備，防止自激和過(guò)大的增益。

4 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析

微型直放站實(shí)物如圖11所示，雖然在前期采用了一些仿真工具對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了模擬仿真，但是仿真與實(shí)際電路還有差距，有時(shí)甚至比較大，后期的調(diào)試非常有必要。整個(gè)系統(tǒng)裝配好之后，主要采用萬(wàn)用表和網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，最終較好地滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖11 微型直放站實(shí)物

本直放站雖然上行和下行鏈路設(shè)計(jì)一樣，但是由于各自的工作頻段不一樣，所以在測(cè)試時(shí)上下行的指標(biāo)稍有區(qū)別，下面給出上下行鏈路的測(cè)試過(guò)程。在系統(tǒng)頻譜分析過(guò)程中，使用安捷網(wǎng)絡(luò)分析儀分析直放站前向傳輸通道S21參數(shù)的相關(guān)性能指標(biāo)，其中下行鏈路的測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 微型直放站下行頻譜測(cè)試圖

在測(cè)試中把網(wǎng)絡(luò)分析儀的中心頻率設(shè)置為起始頻率1.785 GHz，終止頻率設(shè)置為1.91 GHz。測(cè)試時(shí)設(shè)置4個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，測(cè)得第1標(biāo)記的頻率是1.861 GHz，增益為20.997 dB，第2標(biāo)記的頻率是1.805 GHz，增益為14.815 dB，第3標(biāo)記的頻率是1.842 GHz，增益為20.898 dB，第4標(biāo)記的頻率是1.88 GHz，增益為17.059 dB。在下行1 805～1 880 MHz頻段內(nèi)，帶內(nèi)波動(dòng)為6.182 dB，由于信號(hào)輸入的衰減，下行最終增益約為76 dB。

上行鏈路的測(cè)試結(jié)果如圖13所示。把網(wǎng)絡(luò)分析儀的中心頻率設(shè)置為起始頻率1.785 GHz，終止頻率設(shè)置為1.91 GHz，設(shè)置4個(gè)標(biāo)記，第1標(biāo)記的頻率是1.710 GHz，增益為41.517 dB，第2標(biāo)記的頻率是1.761 GHz，增益為43.074 dB，第3標(biāo)記的頻率是1.747 GHz，增益為42.467 dB，第4標(biāo)記的頻率是1.785 GHz，增益為33.755 dB。在下行1 710～1 785 MHz頻段內(nèi)，帶內(nèi)波動(dòng)為9.319 dB，由于信號(hào)輸入的衰減，上行最終增益約為83 dB。

圖13 微型直放站上行頻譜測(cè)試圖

由上下行鏈路的測(cè)試結(jié)果看，上行的帶內(nèi)波動(dòng)較大，影響帶內(nèi)波動(dòng)的因素主要是級(jí)間配合，最開(kāi)始系統(tǒng)帶內(nèi)波動(dòng)相對(duì)比較大，經(jīng)過(guò)調(diào)整，系統(tǒng)上下行帶內(nèi)波動(dòng)控制在6 dB左右，系統(tǒng)噪聲系數(shù)在2 dB左右，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用LNA和單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款LTE微型直放站，該系統(tǒng)主要由RF電路、ATT衰減電路、AGC控制電路和單片機(jī)控制電路構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)利用LNA和單片機(jī)結(jié)合的方式來(lái)防止系統(tǒng)自激，避免了直放站對(duì)通信基站的干擾。同時(shí)對(duì)該微型直放站進(jìn)行了實(shí)際制作和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該微型直放站基本滿(mǎn)足最初預(yù)想的性能指標(biāo)，可以直接在工程應(yīng)用中。