一種3.5 GHz頻段雙通道射頻前端設(shè)計(jì)*

吳學(xué)富，程 方，劉浩東

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

近年來(lái)，第五代移動(dòng)通信(5G)已經(jīng)成為我國(guó)“新基建”的重點(diǎn)工程，也是推動(dòng)我國(guó)向數(shù)字化、智能化經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的核心動(dòng)力，國(guó)內(nèi)的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和發(fā)展具有巨大的潛能。工信部發(fā)布相關(guān)文件，規(guī)劃3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz為我國(guó)5G通信系統(tǒng)的工作頻段。與4.9 GHz頻段相比，3.5 GHz頻段信號(hào)波長(zhǎng)更長(zhǎng)，穿透能力更強(qiáng)，覆蓋更廣，單位面積內(nèi)基站建設(shè)所需成本也更低[1]，我國(guó)將主要部署3.5 GHz頻段。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的快速推進(jìn)離不開相關(guān)測(cè)試設(shè)備的支持。韓國(guó)和美國(guó)作為最早開通了5G商用的國(guó)家，在實(shí)測(cè)中均出現(xiàn)了不同程度的問(wèn)題[2]。為保障我國(guó)5G商用的有序推進(jìn)，需要在商用之前使用5G終端模擬器做好全方位的測(cè)試和有效的評(píng)估。

長(zhǎng)期以來(lái)，中高端通信測(cè)試儀器儀表的關(guān)鍵技術(shù)仍由是德科技(Keysight)、思博倫(Spirent)、羅德與施瓦茨公司(R&S)等所主導(dǎo)。射頻前端作為5G終端模擬設(shè)備的核心之一，研發(fā)出具有自主產(chǎn)權(quán)的新型射頻前端對(duì)于填補(bǔ)我國(guó)中高端通信測(cè)試儀器的空白具有重要的意義。5G新技術(shù)的使用對(duì)射頻前端設(shè)計(jì)提出了更加嚴(yán)格的要求，例如更多的通道、更小的尺寸、更低的功耗以及更好的通信性能[3-4]。這就需要不斷跟進(jìn)最新標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出滿足5G終端模擬器的收發(fā)射頻前端。設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)射頻前端的多通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將其很方便地組成大規(guī)模陣列，以適用大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)系統(tǒng)[5-6]，但這也大大地增加了器件數(shù)量和收發(fā)機(jī)的尺寸。常用的射頻前端結(jié)構(gòu)有超外差和零中頻兩種，針對(duì)單頻段收發(fā)的射頻前端可以采用零中頻結(jié)構(gòu)，相比于超外差結(jié)構(gòu)省去了設(shè)計(jì)中的變頻部分，從而降低了電路的復(fù)雜度和前端的尺寸[7]?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)和GaAs工藝器件的快速發(fā)展，大大提高了射頻前端重要器件的性能，同時(shí)也讓其尺寸和功耗得到了有效的降低[8-9]。而高性能、集成式收發(fā)器芯片的應(yīng)用，則使射頻前端更加地趨向于高集成化、小型化，設(shè)計(jì)人員在頻段和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面也有了更多的選擇[10]。ADI公司生產(chǎn)的高集成收發(fā)器ADRV9009最大支持200 MHz帶寬，在支持兩收兩發(fā)的基礎(chǔ)上各自增加了一個(gè)觀測(cè)器，芯片大小僅為12 mm×12 mm。該芯片包含自動(dòng)增益和衰減控制功能，從而在動(dòng)態(tài)范圍上具有更大的靈活性，其良好的性能更好地支持終端模擬器的通信。

鑒于此，本文綜合考慮射頻前端的工作頻段、收發(fā)性能、尺寸和功耗等因素，結(jié)合收發(fā)器ADRV9009設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種適用于5G終端模擬器的3.5 GHz頻段雙通道射頻前端，在滿足收發(fā)性能的前提下減少了器件數(shù)量，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該射頻前端性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求，可用于5G終端模擬器的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 射頻前端整體方案設(shè)計(jì)

射頻前端結(jié)構(gòu)常用設(shè)計(jì)方案有超外差結(jié)構(gòu)和零中頻結(jié)構(gòu)。由于本設(shè)計(jì)中射頻前端為3.5 GHz單頻段信號(hào)的收發(fā)，相比于超外差結(jié)構(gòu)，零中頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)便，省去了變頻模塊，無(wú)需鏡像干擾抑制濾波器，減少了系統(tǒng)成本和尺寸，有利于單片集成，更適合本方案的設(shè)計(jì)。本方案結(jié)合了ADRV9009收發(fā)器設(shè)計(jì)了具有雙通道的射頻前端，兩通道設(shè)計(jì)相同，每個(gè)通道包括了發(fā)射鏈路和接收鏈路兩部分。

從天線端接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)收發(fā)切換模塊后進(jìn)入接收鏈路，依次經(jīng)過(guò)低噪放、濾波和增益等模塊進(jìn)行信號(hào)功率放大，并對(duì)信號(hào)噪聲和帶外雜波進(jìn)行抑制；接收動(dòng)態(tài)控制模塊將根據(jù)接收信號(hào)功率的大小進(jìn)行相應(yīng)的衰減和放大，以保證接收信號(hào)處于最佳的接收狀態(tài)；最后信號(hào)進(jìn)入調(diào)制解調(diào)模塊ADRV9009進(jìn)行I/Q解調(diào)輸出給基帶。處于發(fā)射模式時(shí)，由調(diào)制解調(diào)模塊ADRV9009產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大模塊和濾波模塊進(jìn)行功率放大后，最終從天線端口輸出。其中部分發(fā)射信號(hào)將通過(guò)反饋模塊輸出給ADRV9009，以保證發(fā)射信號(hào)的動(dòng)態(tài)可控。此外，發(fā)射鏈路還額外設(shè)計(jì)了保護(hù)模塊，以增加發(fā)射鏈路的安全性。射頻前端的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 射頻前端鏈路設(shè)計(jì)

信號(hào)首先經(jīng)過(guò)低噪聲放大器進(jìn)行功率放大，同時(shí)，低噪聲放大器可使前級(jí)電路噪聲系數(shù)控制在一個(gè)較小的范圍之內(nèi)。由于ADRV9009本身的動(dòng)態(tài)范圍不足以滿足5G終端模擬器對(duì)接收動(dòng)態(tài)范圍較大的需求，故接收動(dòng)態(tài)模塊設(shè)計(jì)了低噪聲旁路放大器和數(shù)字衰減器進(jìn)行搭配，并根據(jù)接收信號(hào)的功率大小進(jìn)行鏈路的增益調(diào)節(jié)，保證后端調(diào)制解調(diào)模塊處于最佳接收性能。信號(hào)最后經(jīng)過(guò)第三級(jí)增益放大器進(jìn)行放大，保證了接收機(jī)最大接收靈敏度時(shí)對(duì)小信號(hào)的良好接收。最終信號(hào)經(jīng)過(guò)巴倫轉(zhuǎn)換進(jìn)入調(diào)制解調(diào)模塊ADRV9009后輸出給基帶。接收鏈路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 接收鏈路設(shè)計(jì)圖

射頻前端處于發(fā)射模式時(shí)，初始的小信號(hào)通過(guò)功率放大模塊合理的增益分配進(jìn)行二級(jí)放大以達(dá)到射頻前端最大發(fā)射信號(hào)的功率指標(biāo)。分別在驅(qū)動(dòng)放大器前級(jí)和末級(jí)功率放大器后級(jí)搭配了射頻開關(guān)和隔離器兩個(gè)保護(hù)模塊，該射頻開關(guān)在保護(hù)驅(qū)動(dòng)放大器的同時(shí)也確保了收發(fā)鏈路間的切換同步，后級(jí)的隔離器則是為了防止發(fā)射信號(hào)回波損毀功率放大器。發(fā)射信號(hào)反饋模塊由耦合器和衰減器組合而成，部分發(fā)射信號(hào)耦合給ADRV9009的觀測(cè)器，以保證后端對(duì)發(fā)射信號(hào)功率的可控，而衰減器則可保護(hù)ADRV9009的觀測(cè)器不被損毀。發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)圖

1.3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻段為3 300～3 600 MHz；接收靈敏度為-85 dBm；接收動(dòng)態(tài)范圍大于60 dB；噪聲系數(shù)小于3 dB；帶內(nèi)增益平坦度小于1 dB；接收端信號(hào)功率為0 dBm時(shí)雜散信號(hào)電平小于40 dBm。

發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)：最大輸出功率為20 dBm；帶內(nèi)增益平坦度小于1 dB；256QAM調(diào)試方式下誤差向量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)小于3%。

2 電路關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 低噪放模塊設(shè)計(jì)

射頻前端的接收對(duì)信號(hào)的噪聲指標(biāo)尤為敏感，若系統(tǒng)由多個(gè)器件級(jí)聯(lián)而成，可通過(guò)各個(gè)器件噪聲系數(shù)Fi和各個(gè)器件功率增益Gi來(lái)計(jì)算系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)：

(1)

要保證接收機(jī)對(duì)高接收靈敏度的指標(biāo)要求，就必須針對(duì)小信號(hào)進(jìn)行大增益放大，但這樣就不可避免地使小信號(hào)的信噪比惡化。因此，在設(shè)計(jì)接收鏈路時(shí)，第一級(jí)放大器要選擇噪聲系數(shù)較小且增益足夠高的低噪聲功率放大器。設(shè)計(jì)采用QORVO公司的QPL9503集成式、低噪聲放大芯片，該放大器在提供20 dB以上有效增益的同時(shí)可將噪聲系數(shù)控制在1 dB以內(nèi)，其高達(dá)19 dBm的1 dB壓縮點(diǎn)也保證了接收信號(hào)的高線性度。

為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)前端電路的增益和噪聲系數(shù)進(jìn)行預(yù)算分析，數(shù)據(jù)均來(lái)自各器件數(shù)據(jù)手冊(cè)。表1為前級(jí)電路器件工作在3.5 GHz時(shí)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，由式(1)計(jì)算結(jié)果得前級(jí)電路噪聲系數(shù)為1.72 dB，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 前級(jí)電路器件主要指標(biāo)

由于前級(jí)低噪聲放大電路對(duì)接收鏈路極為重要，因此，為保障前級(jí)電路工作的穩(wěn)定性，采用3 dB平衡電橋的設(shè)計(jì)方式搭建前級(jí)低噪聲放大電路。設(shè)計(jì)選用EMC Technology公司的90°混合耦合器HPU2F作為電橋，J2端口接50 Ohm負(fù)載，端口J1與J4的相移特性為-90°，與J3無(wú)相位差。射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)HPU2F被分為兩路，每一路信號(hào)功率為原來(lái)的一半，經(jīng)低噪放QPL9503放大，最終兩路信號(hào)合路為一路信號(hào)送至后級(jí)電路，此信號(hào)與初始信號(hào)相位相差90°。當(dāng)電路中的某一路低噪聲放大器損壞，雖然射頻信號(hào)功率會(huì)損失一半，即電路的增益損失3 dB，但電路的另一低噪放仍能正常工作。此設(shè)計(jì)大大增加了前級(jí)電路的穩(wěn)定性，同時(shí)還可使電路匹配性更好。前級(jí)低噪聲放大電路如圖4所示。

圖4 前級(jí)低噪聲放大電路

2.2 接收動(dòng)態(tài)模塊設(shè)計(jì)

ADRV9009自身動(dòng)態(tài)范圍僅有30 dB，無(wú)法達(dá)到射頻前端接收動(dòng)態(tài)范圍大于60 dB的設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此采用Mini-Circuits公司的低噪聲旁路放大器TSS-53LNB+與ADI公司的HMC1122數(shù)字步進(jìn)衰減器搭配。TSS-53LNB+包含有內(nèi)部控制開關(guān)，接收前端可根據(jù)接收信號(hào)功率大小來(lái)控制放大器是否旁通，此時(shí)器件的增益表現(xiàn)為1.5 dB的插損值。當(dāng)接收小信號(hào)時(shí)，器件為直通模式，此時(shí)增益值約為16.5 dB，而噪聲系數(shù)為1.4 dB。HMC1122數(shù)字步進(jìn)衰減器最大衰減值為31.5 dB，其最小控制步進(jìn)為0.5 dB，很好地保證了對(duì)接收信號(hào)增益的控制精度。接收增益控制范圍為-33～16.5 dB，計(jì)算上后級(jí)ADRV9009內(nèi)部包含的30 dB可調(diào)范圍，接收機(jī)總的接收動(dòng)態(tài)范圍達(dá)80 dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.3 功率放大模塊設(shè)計(jì)

為滿足射頻前端最大發(fā)射功率的指標(biāo)要求，功率放大模塊設(shè)計(jì)了兩級(jí)放大器。前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大器使用QORVO公司的QPA9842，對(duì)小信號(hào)的增益為18.7 dB。該器件采用內(nèi)部平衡放大設(shè)計(jì)，可提供非常好的輸入輸出駐波比。末級(jí)的功率放大器最為關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)采用Avago公司的高線性放大器ALM-31322，通過(guò)使用0.25 μm的GaAs工藝制成，信號(hào)增益為13.2 dB。該器件具有良好的線性性能，達(dá)47.7 dBm的輸出三階截點(diǎn)(Out Third-order Intercept Point，OIP3)和31 dBm的1 dB壓縮點(diǎn)，在信號(hào)峰均值比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)為12 dB時(shí)，也可保證發(fā)射信號(hào)良好的線性度。

發(fā)射機(jī)對(duì)信號(hào)的質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，功率放大器需工作在線性區(qū)內(nèi)，否則其非線性會(huì)造成信號(hào)失真，使發(fā)射信號(hào)指標(biāo)惡化。OIP3和1 dB壓縮點(diǎn)都是衡量器件或系統(tǒng)線性度的重要指標(biāo)。在設(shè)計(jì)發(fā)射鏈路時(shí)，需要對(duì)兩者進(jìn)行嚴(yán)格把控。鏈路的OIP3級(jí)聯(lián)公式表達(dá)式為

(2)

式中：OPI31、G1為最后一級(jí)器件的參數(shù)。由式(2)可以看出，接收鏈路中，發(fā)射鏈路級(jí)聯(lián)輸出三階截點(diǎn)的主要影響因素為末級(jí)功率放大器的參數(shù)。為保證鏈路各器件均能保持良好的線性度，對(duì)功率放大模塊的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。表2為功率放大電路器件工作在3.5 GHz時(shí)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，計(jì)算可得功率放大模塊總增益為30.1 dB，鏈路級(jí)聯(lián)OIP3為46.16 dBm，輸出1 dB壓縮點(diǎn)為30.24 dBm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表2 功率放大電路器件主要指標(biāo)

3 收發(fā)鏈路仿真

為了更好地驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的可行性，通過(guò)仿真軟件ADS2017對(duì)射頻前端的收發(fā)鏈路進(jìn)行仿真。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案添加器件的S參數(shù)模型，模型數(shù)據(jù)來(lái)自器件廠商和測(cè)試數(shù)據(jù)。系統(tǒng)ADS仿真原理如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)ADS仿真原理圖

仿真結(jié)果如圖6所示，其中，圖6(a)為接收鏈路增益和噪聲系數(shù)仿真結(jié)果。當(dāng)接收信號(hào)為-85 dBm時(shí)，此時(shí)鏈路增益為最大，其值約44.5 dB，帶內(nèi)增益平坦小于1 dB，噪聲系數(shù)約為1.65 dB。圖6(b)為發(fā)射鏈路增益仿真結(jié)果，鏈路增益約為26 dB，帶內(nèi)增益平坦小于1 dB，滿足預(yù)算指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求。

(a)接收鏈路增益與噪聲系數(shù)

4 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，針對(duì)收發(fā)機(jī)前端進(jìn)行了腔體設(shè)計(jì)及分腔處理，以達(dá)到較好的隔離度，防止收發(fā)通道串?dāng)_及電源對(duì)鏈路信號(hào)的干擾。最終完成了射頻前端整體實(shí)物設(shè)計(jì)，整機(jī)尺寸為170 mm×90 mm×25 mm，射頻前端實(shí)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。通過(guò)相應(yīng)儀器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖8所示。

圖7 射頻前端實(shí)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4.1 發(fā)射鏈路測(cè)試

根據(jù)指標(biāo)要求分別對(duì)發(fā)射鏈路的增益、誤差矢量幅度及雜散電平抑制進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。

(a)發(fā)射鏈路增益

由圖9(a)可知，發(fā)射鏈路增益約為24.34 dB,與仿真數(shù)據(jù)約有2 dB誤差，考慮到測(cè)試時(shí)接線所用同軸電纜的線損，測(cè)試結(jié)果與預(yù)期相符，通道內(nèi)增益平坦度小于1 dB。圖9(b)所示發(fā)射機(jī)在256QAM調(diào)制下，EVM為1.43%，符合指標(biāo)要求。為保護(hù)儀器，發(fā)射機(jī)輸出端接20 dB衰減器，測(cè)試時(shí)，需將腔體盒蓋扣上，否則受外界干擾影響，信號(hào)的雜散測(cè)量結(jié)果會(huì)較差，從而影響測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性。圖9(c)所示的測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)射信號(hào)功率為0 dBm時(shí)，即發(fā)射機(jī)達(dá)最大發(fā)射功率20 dBm，發(fā)射機(jī)雜散信號(hào)電平小于-40 dBm，抑制效果較好。由圖9的測(cè)試結(jié)果可知，發(fā)射鏈路達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4.2 接收鏈路測(cè)試

接收鏈路對(duì)信號(hào)的噪聲要求較高，主要對(duì)鏈路增益、噪聲系數(shù)及雜散電平進(jìn)行測(cè)試，圖10為測(cè)試結(jié)果。如圖10(a)所示，接收鏈路3.5 GHz處實(shí)際測(cè)試增益約為42.71 dB，與仿真結(jié)果約有1.79 dB誤差，考慮到器件連接和測(cè)試線損的影響，測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期要求，帶內(nèi)增益平坦度小于1 dB。如圖10(b)所示，測(cè)量雜散時(shí)將腔體盒密封，接收端信號(hào)為0 dBm時(shí)，雜散電平小于-50 dBm，符合設(shè)計(jì)要求。如圖10(c)所示，儀器輸入端接入10 dB衰減，以保護(hù)儀器，手動(dòng)控制動(dòng)態(tài)模塊將接收鏈路增益調(diào)至最大，測(cè)得鏈路真實(shí)噪聲系數(shù)小于2.6 dB，比噪聲仿真結(jié)果大1 dB左右，但仍在設(shè)計(jì)要求的3 dB以內(nèi)?？赏ㄟ^(guò)降低低噪放模塊前級(jí)的射頻開關(guān)等器件的插損，從而進(jìn)一步減小噪聲系數(shù)。由圖10的測(cè)試結(jié)果可知，接收鏈路測(cè)試達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(a)接收鏈路增益

5 結(jié) 論

針對(duì)5G終端模擬器中的射頻前端，本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于3.5 GHz頻段的雙通道射頻收發(fā)前端。設(shè)計(jì)方案結(jié)合ADRV9009芯片，分別針對(duì)接收鏈路的噪聲系數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍以及發(fā)射鏈路的發(fā)射功率和線性度進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，并通過(guò)ADS對(duì)收發(fā)鏈路的主要參數(shù)進(jìn)行了仿真。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，收發(fā)鏈路的各參數(shù)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了方案的正確性和合理性。該射頻前端對(duì)5G相關(guān)測(cè)試儀表的研發(fā)具有重要意義。