功放模块系统设计基本技术

1、目录目录133 23 45无线通信领域无线通信领域直放站制式分类：直放站制式分类：无线通信领域无线通信领域直放站应用解决方案分类：直放站应用解决方案分类：无线通信领域无线通信领域直放站技术特点分类：直放站技术特点分类：模拟直放站模拟直放站数字直放站数字直放站按照应用场景分类：按照应用场景分类：MDAS小功率多路分布系统小功率多路分布系统DAS大功率多路分布系统大功率多路分布系统FRU /BBU微基站微基站无线通信行业的发展方向：无线通信行业的发展方向：数字化、集成化、宽带化、互联互通数字化、集成化、宽带化、互联互通IP化、高效绿色环保、小型化化、高效绿色环保、小型化.无线通信领域无线通信领域功

2、放在无线通信产品中的应用：功放在无线通信产品中的应用：无线通信领域无线通信领域功放产品分类：功放产品分类： 产品类型丰富，制式覆盖产品类型丰富，制式覆盖TDDTDD、FDDFDD；频段覆盖；频段覆盖700MHz700MHz3.5GHz3.5GHz；瞬时带宽瞬时带宽40MHz40MHz，平均功率从，平均功率从1W1W300W300W，峰值功率达到，峰值功率达到2000W2000W。 HPA HPA 普通高功放普通高功放 HEPA HEPA 高效率功放高效率功放 SMPA SMPA 高效率功放高效率功放 MCPA MCPA 多载波线性功放（多载波线性功放（DPDDPD、FFFF、RFAPRFAP等

3、）等）TBSTBS系统产品系统产品TMSTMS系统产品系统产品涉及专业分类涉及专业分类u 技术专业技术专业RF 系统设计系统设计RF Power model 设计设计MCU、DSP监控软硬件设计监控软硬件设计FPGA数字单元软硬件设计数字单元软硬件设计PCB设计设计结构设计结构设计模块内部构造模块内部构造u 射频技术射频技术w匹配问题（包括功放管匹配）：功放管输入输出匹配、级间匹配、端口匹配；匹配问题（包括功放管匹配）：功放管输入输出匹配、级间匹配、端口匹配；w功率的分配与合成；功率的分配与合成；w射频隔离：前后级隔离、单元电路之间的隔离；射频隔离：前后级隔离、单元电路之间的隔离；w取样检测：

4、耦合取样、输入输出功率检测、反射功率检测；取样检测：耦合取样、输入输出功率检测、反射功率检测；w信号的控制：栅压、信号的控制：栅压、AGCAGC、ALCALC、EQEQ、调幅、调相、调时延、调幅、调相、调时延、ATTATT、TDDTDD切换等。切换等。模块内部构造模块内部构造u 功放标准电路（见标准电路设计规范）功放标准电路（见标准电路设计规范）模块内部构造模块内部构造u 板材及微带电路设计板材及微带电路设计 要求：熟练掌握要求：熟练掌握ADSADS、ansoftansoft、HFSSHFSS、Wave officeWave office等软件至少等软件至少1 1种；种；模块内部构造模块内部构

5、造u RFRF信号传输信号传输1） 同轴线2） 平行双线3） 微带线4） 带状线5） 波导6） 槽线7） 共面波导模块内部构造模块内部构造u 系统增益分配及系统增益分配及NFNF等仿真计算等仿真计算 要求：熟练掌握要求：熟练掌握APPCADAPPCAD等软件至少等软件至少1 1种；种；模块内部构造模块内部构造u 关键器件选型关键器件选型-隔离器隔离器1、铁氧体隔离器为什么具有单向导通特性（或旋磁特性）？、铁氧体隔离器为什么具有单向导通特性（或旋磁特性）？2、铁氧体隔离器关键材料是什么？、铁氧体隔离器关键材料是什么？3、铁氧体属于磁性材料，具有磁性吗？、铁氧体属于磁性材料，具有磁性吗？4、永磁体

6、属于磁性材料，原材料具有磁性吗？、永磁体属于磁性材料，原材料具有磁性吗？5、隔离器在功放产品应用中，有哪些常见问题，在设计中如何考虑？、隔离器在功放产品应用中，有哪些常见问题，在设计中如何考虑？关键器件选型关键器件选型-隔离器隔离器 手工装配类手工装配类 双隔离器类双隔离器类 大功率大功率SMT 贴片贴片类类 同轴隔离器类同轴隔离器类隔离器环形器 SMT 贴片类贴片类关键器件选型关键器件选型-隔离器隔离器序号隔离器结构件材质或厂家表面处理作用1 1腔体壳铁 、A3A3钢镀镍或镀银接地、散热2 2铁氧体钇铁石榴石单面镀银提供旋磁3 3负载（衰减片）ALNALN（ANNAREN ANNAREN 、

7、KDIKDI、KMCKMC）一面镀银一面涂漆吸收反射功率4 4中心导体铍铜和黄铜 镀银镀银信号载体5 5永磁体（磁钢）钕铁硼、钐钴、锶钙镀镍或镀锌提供外加偏置场6 6匀磁片铁镀镍或镀银均匀磁场7 7温度补偿片无温度补偿8 8盖板不锈铁无紧固零件9 9屏蔽片不锈铁镀镍或镀银屏蔽和均匀磁场1010垫片紫铜镀银1111胶水“聚乙烯”橡胶固定引脚1212标签1313（其它）铁氧体带戒指环固定关键器件选型关键器件选型-隔离器隔离器铁氧体铁氧体-特性及应用：特性及应用： 利用这种材料利用这种材料在直流磁场和微波场共同作用下呈现出的旋磁效应制成的微在直流磁场和微波场共同作用下呈现出的旋磁效应制成的微波铁氧体

8、器件如环行器、隔离器等波铁氧体器件如环行器、隔离器等，铁氧体隔离器：铁氧体隔离器：是一种单向传输电磁波，微波信号功率沿正向方向传输，将功是一种单向传输电磁波，微波信号功率沿正向方向传输，将功率几乎全部传输给负载；而负载反射功波则不可逆。率几乎全部传输给负载；而负载反射功波则不可逆。铁氧体环形器：铁氧体环形器：是多端口传输电磁波的微波器件，常用的是三端口。是多端口传输电磁波的微波器件，常用的是三端口。 永磁体作用：永磁体作用：为铁氧体工作提供为铁氧体工作提供偏置磁场偏置磁场，永磁体的极性决定了隔离器的信号时顺时针方向传输还是，永磁体的极性决定了隔离器的信号时顺时针方向传输还是逆时针方向传输。逆时

9、针方向传输。铁氧体和永磁体的区别铁氧体和永磁体的区别：微波铁氧体可以吸收微波能量，并在磁场作用下有旋磁特性，微波铁氧体可以吸收微波能量，并在磁场作用下有旋磁特性，永磁体不可以吸收微波能量，能充磁能，为铁氧体提供偏置磁场。永磁体不可以吸收微波能量，能充磁能，为铁氧体提供偏置磁场。 关键器件选型关键器件选型-隔离器隔离器关键器件选型关键器件选型-隔离器隔离器关键器件选型关键器件选型-隔离器隔离器关键器件选型关键器件选型-隔离器隔离器关键器件选型关键器件选型-隔离器隔离器关键器件选型关键器件选型-隔离器隔离器u隔离器应用质量问题：隔离器应用质量问题：1、铁氧体隔离器负载烧毁。、铁氧体隔离器负载烧毁。

10、（Antone 项目项目）2、铁氧体隔离器内导体连接片烧毁。、铁氧体隔离器内导体连接片烧毁。3、铁氧体隔离器谐波抑制不够。、铁氧体隔离器谐波抑制不够。(PA-4145FWB0中试中试）4、铁氧体隔离器、铁氧体隔离器IMD指标不够。指标不够。5 5、铁氧体隔离器平面度不够，导致接触不良，散热效果不好。、铁氧体隔离器平面度不够，导致接触不良，散热效果不好。（玻利维亚订单玻利维亚订单）6、铁氧体隔离器密封不好，能量辐射。、铁氧体隔离器密封不好，能量辐射。关键器件选型关键器件选型-耦合器耦合器关键器件选型关键器件选型-耦合器耦合器关键器件选型关键器件选型-3dB-3dB电桥电桥关键器件选型关键器件选型

11、-延时线延时线线性互易元件线性互易元件 常用的线性互易元件包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、常用的线性互易元件包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、功分器、微波电桥、定向耦合器、阻抗变换器、滤波器和功分器、微波电桥、定向耦合器、阻抗变换器、滤波器和延时线延时线等。等。贴片延时线贴片延时线同轴线同轴线腔体延时滤波器腔体延时滤波器可调延时器可调延时器关键器件选型关键器件选型-延时线延时线关键器件选型关键器件选型-延时线延时线时延的计算方法时延的计算方法 关键器件选型关键器件选型-延时线延时线 贴片延时线的材料工艺贴片延时线的材料工艺1 1、材料工艺：、材料工艺：PTFEPTFE和和LT

12、CCLTCC。2 2、电路设计：射频带状线；、电路设计：射频带状线；3 3、多层、多层PCBPCB基片压合叠成。基片压合叠成。XDL09-8-080的参数：l 带状线形式，抗外部干扰能力强带状线形式，抗外部干扰能力强l S型弯曲走线，感抗小型弯曲走线，感抗小l 介质材料韧性好，不容易压折介质材料韧性好，不容易压折l 3层信号面，层信号面，4层地平面层地平面关键器件选型关键器件选型-延时线延时线 可调延时线可调延时线主要参数：主要参数：1910MHz2010MHz时延可调节量时延可调节量0.5ns相位波动相位波动1以内以内插损插损2.3dB以内以内回波回波-19dBOIP3为为28dBm控制电压

13、（控制电压（0V9V）工作温度工作温度-40851900MHz可调延时线可调延时线关键器件选型关键器件选型-延时线延时线 腔体延时滤波器腔体延时滤波器FD-G8514-IS01延时滤波器延时滤波器项目名称项目名称电气指标电气指标频率范围（频率范围（MHzMHz）890890910910910910975975带带 宽（宽（MHzMHz）20206565回波损耗（回波损耗（dBdB）2020（常温）；（常温）；1717（高低温）（高低温）插入损耗（插入损耗（dBdB）0.600.60（常温）；（常温）；0.700.70（高低（高低温）温）0.400.40（常温）；（常温）；0.450.45（高低

14、温）（高低温）带内波动（带内波动（dBdB）0.150.15（常温）；（常温）；0.200.20（高低（高低温）温）0.100.10（常温）；（常温）；0.130.13（高低温）（高低温）相位波动（相位波动（degdeg）1.51.5（常温）；（常温）；2.02.0（高低温）（高低温）1.01.0（常温）；（常温）；1.31.3（高低温）（高低温）中心频率群时延（中心频率群时延（nsns）/ /13.913.90.2942.5MHz0.2942.5MHz功率容量（功率容量（W W）常温、常压下，常温、常压下，100100（平均功率）；（平均功率）；800800（峰值功率）（峰值功率）关键器件选

15、型关键器件选型-延时线延时线 延时器件在前馈功放中的应用延时器件在前馈功放中的应用FeedForwardFeedForward环路对消原理图环路对消原理图关键器件选型关键器件选型-延时线延时线 延时器件在延时器件在RF_AP功放中的应用功放中的应用关键器件选型关键器件选型-延时线延时线 延时器件的选用延时器件的选用l 从功率大小和插损角度考虑，要求插损小而功率大的器件选用从功率大小和插损角度考虑，要求插损小而功率大的器件选用延时滤波器延时滤波器。l 考虑考虑SMT工艺、一致性、布局空间大小，最好选用工艺、一致性、布局空间大小，最好选用贴片延时线贴片延时线。l 考虑成本、可调可生产性，采用考虑成

16、本、可调可生产性，采用同轴线绕制同轴线绕制。l 考虑成本、可调可生产性、而且时延调节范围比较小，采用考虑成本、可调可生产性、而且时延调节范围比较小，采用可调延时电路可调延时电路。 思考题：思考题：同轴线和贴片延时线同轴线和贴片延时线 延时（或相位）和频响的关系？延时（或相位）和频响的关系？ 1、同轴线的延时和频响是线性的，所以时延与频段无关；、同轴线的延时和频响是线性的，所以时延与频段无关； 2、贴片延时线延时和频响是非线性的，不同的频段时延是不同、贴片延时线延时和频响是非线性的，不同的频段时延是不同的；但，在窄带范围内是线性。的；但，在窄带范围内是线性。关键器件选型关键器件选型-延时线延时线

17、 贴片延时线的选用贴片延时线的选用考虑耦合很关键，考虑耦合后考虑耦合很关键，考虑耦合后时延随频率增加而增加，与指标相符时延随频率增加而增加，与指标相符插损随频率变化较大，与指标相符插损随频率变化较大，与指标相符不考虑耦合时不考虑耦合时时延基本不随频率变化，与理论一致时延基本不随频率变化，与理论一致插损随频率变化较小，与经验一致插损随频率变化较小，与经验一致进一步分析进一步分析1.3GHz2.5GHz内，考虑耦合时的时延内，考虑耦合时的时延大于不考虑耦合时的时延，即大于不考虑耦合时的时延，即相同长度的带相同长度的带状线，如果绕成强耦合的形状，可以获得更状线，如果绕成强耦合的形状，可以获得更大的时

18、延；所以可以以更小的尺寸获得相同大的时延；所以可以以更小的尺寸获得相同的时延量。的时延量。关键器件选型关键器件选型-巴伦巴伦关键器件选型关键器件选型-巴伦巴伦l 变压器巴伦变压器巴伦l 传输线巴仑传输线巴仑l 微带线宽带巴仑微带线宽带巴仑馈电平衡馈电平衡磁耦合式磁耦合式、反向式反向式、对称式对称式、扼流式等平衡器类型。扼流式等平衡器类型。 功放常用的种类功放常用的种类l 带状线巴仑带状线巴仑l LC巴仑巴仑关键器件选型关键器件选型-巴伦巴伦关键器件选型关键器件选型-巴伦巴伦关键器件选型关键器件选型-巴伦巴伦平衡式输入输出的优点：l抗干扰能力强l抗电源噪声l抗地噪声能力强l具有偶数谐波抑制功能所

19、以平衡式输入输出电路在功放电路中应用较多：如AD8362检波管，SC18*预失真芯片系列。微带线是单端非平衡端口，与平衡式端口相连时需要巴伦进行变换。关键器件选型关键器件选型-A-A类类ICIC微波放大管微波放大管晶体管：晶体管：泛指一切以半导体材料为基础的单一元件。晶体管有时多指晶体三极管，主要分为双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）两大类。双极性晶体管（双极性晶体管（BJTBJT）：）：根据不同的掺杂方式在同一硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，构成晶体管。放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流，属流控器件，单电源供电。场效应晶体管（场效应晶体管（FETFET）

20、：）：利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，属压控器件。它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极性晶体管，分为结型和绝缘栅型（MOSMOS管管）两种不同的结构。我们常用的大功率LDMOS管属于N沟道的增强型MOS管，双电源供电。关键器件选型关键器件选型-LDO-LDO电源电源p 线性电源线性电源 传统线性电源传统线性电源 低压差线性电源（低压差线性电源（LDO)LDO)p 开关类电源开关类电源 Charge pump (inductor less DC-DC)Charge pump (inductor less DC-DC) DC-DC (inductor) DC-DC (

21、inductor) LDO LDO（Low Dropout Linear RegulatorLow Dropout Linear Regulator）俗称低压差线性稳压管，是一个功率很低的微型片上系统。）俗称低压差线性稳压管，是一个功率很低的微型片上系统。它通常由具有低导通电阻的它通常由具有低导通电阻的MOSMOS调整元件、基准电压源、误差放大器和各种保护电路等功能模块集成在调整元件、基准电压源、误差放大器和各种保护电路等功能模块集成在同一个芯片上而成。同一个芯片上而成。 具有低压差、高效率、高性能、高具有低压差、高效率、高性能、高PSRRPSRR、小体积、低成本等特点。、小体积、低成本等特点

22、。压差静态电流待机电流瞬态响应线性调整率负载调整率电源抑制比精度功耗LDO关键参数关键参数关键器件选型关键器件选型-电阻、电感、电容电阻、电感、电容常用电阻分类常用电阻分类普通贴片电阻、精密取样电阻、功率负载、热敏电阻等。电阻的射频特性：电阻的射频特性：w电阻射频模型w理想电阻R；w并联电容Ca,Cb；w串联引线电感Ls；关键器件选型关键器件选型-电阻、电感、电容电阻、电感、电容常用电感分类常用电感分类实心电感、空心绕线电感、绕线电感、闭磁电感、磁珠等。电感的射频特性：电感的射频特性：w电感射频模型：w理想电感L，Z=jL；w串联电阻Rs；w引线串联电感Ls；w并联电容C1，C2关键器件选型关

23、键器件选型-电阻、电感、电容电阻、电感、电容常用电容分类常用电容分类普通介质MLCC电容、钽电容、铝电解电容、高Q微波电容等。电容的射频特性：电容的射频特性：w多层射频电容模型：w理想电容C，Z=1/jC；w串联电阻Rs；w引线串联电感Ls；w并联电容Cp；w并联电阻Rp。关键器件选型关键器件选型-二极管、三极管、场效应管二极管、三极管、场效应管 二极管分类二极管分类 二极管按其实现的功能主要分为：限幅二极管、整流二极管、开关器件（PIN管）、检波二极管、变容二极管、快恢复二极管、肖特基二极管、光敏二极管、TVS二极管、以及发光二极管等等。 三极管三极管三极管一般称为双极性晶体管，是通过制作工

24、艺将两个PN结结合在一起构成。两PN结作用，可使三极管成为一个具有控制电流作用的器件，可用作放大微弱信号和做无触点的开关。有PNP和NPN两种结构。主要是Si管和Ge管。关键器件选型关键器件选型-二极管、三极管、场效应管二极管、三极管、场效应管 场效应管定义场效应管定义场效应管是利用电场效应来控制半导体内载流子，使通过半导体内的电流大小随电场强度的改变而变化的由电压控制电流的放大器件。英文简写为：MOSFET1、按封装分：分为塑料封装和金属封装2、按功率分：分为大、中、小功率3、按频率分: 分为高、中、低频4、按结构特点分：结型（JFET)和绝缘栅型（IGFET)5、按沟道分：分为N沟道和P沟

25、道其中绝缘栅型又可以细分为N沟道增强型和耗尽型，P沟道增强型和耗尽型。 场效应管分类场效应管分类关键器件选型关键器件选型-二极管、三极管、场效应管二极管、三极管、场效应管 场效应管的应用场效应管的应用关键技术指标关键技术指标4.1 4.1 信号的峰值功率、平均功率和峰均比信号的峰值功率、平均功率和峰均比PARPAR解释：平均功率是系统输出的实际功率。在某个概率下峰值功率跟平均功率的比就称为在某个概率下的峰均比，如PAR=9.10.1%,各种概率下的峰均比就形成了CCDF曲线（互补累积分布函数）。在概率为0.01%处的PAR，一般称为CREST因子。4.2 4.2 噪声噪声噪声是指在信号处理过程

26、中遇到的无法确切预测的干扰信号（各类点频干扰不是算噪声）。常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信号与噪声的互调产物。关键技术指标关键技术指标4.3 4.3 三阶交调三阶交调三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线性的一个重要指标，在这里仍以放大器为例来说明三阶交调指标。用两个相隔f，且电平相等的单音信号同时输入一个射频放大器，则放大器的输出频谱大致如下：三阶交调常用dBc表示，即交调产物与主输出信号的比。关键技术指标关键技术指标4.4 4.4 三阶截止点三阶截止点任一微波单元电路，输入双音信号同时增加1dB，输出三阶交调产物将增加

27、3dB，而主输出信号仅增加1dB（不考虑压缩），这样输入信号电平增加到一定值时，输出三阶交调产物与主输出信号相等，这一点称为三阶截止点，对应的输入信号电平称为输入三阶截止点，对应的输出信号电平称为输出三阶截止点。注意：三阶截止点信号电平是不可能达到的，因为在这时早已超过微波单元电路的承受能力。关键技术指标关键技术指标4.74.7回波损耗回波损耗回波损耗也是射频上用得比较多得一个名词，它和前面得反射系数、驻波比都是用来反映端口得匹配状况的。回波损耗表示端口的反射波的功率与入射波功率之比。回波损耗与反射系数的关系为： 回波损耗20log（）由公式可以计算：回波损耗为26dB时，对应的反射系数为0.

28、05，驻波比为1.1。由此也可以估计一下，驻波为2时的回波损耗是多少（9.5dB），也就可以理解对于功放后级的驻波要求为何严格。关键技术指标关键技术指标4.8 4.8 邻道泄漏（邻道泄漏（ACLRACLR）邻道泄漏指标是用来衡量发射机的带外辐射特性，定义：邻道功率与主信道功率之比，通常用dBc表示，如下图：主 信 道邻 道保 护 带射机的领道泄漏必然回对其他小区造成干扰，为了减小这种干扰，领道泄漏必须尽可能的小，WCDMA的要求是：第一邻道（偏离载频5MHz）的ACLR45dBC ；第二邻道（偏离载频10MHz）的ACLR 50dBC 。 关键技术指标关键技术指标4.9 4.9 频谱发射频谱发

29、射模板模板对于WCDMA而言，频谱发射模板用于限制偏离发射载波中心频率2.5MHz12.5MHz频段内的杂散发射功率，下面以WCDMA协议3GPP TS 25.141 V3.6.0 中规定的NodeB发射机的频谱发射模板指标要求为例来说明。Table 6.11: Spectrum emission mask values, BS maximum output power P 43 dBmFrequencyoffset ofmeasurement filter 3dBpoint, fFrequency offsetof measurementfilter centrefrequency, f_o

30、ffsetMaximumlevelMeasurementbandwidth2.5f2.7MHz2.515MHzf_offset2.715MHz-14dBm30kHz2.7f3.5MHz2.715MHzf_offset3.515MHz-1415(f_offset-2.715)dBm30kHz3.515MHzf_offset4.0MHz-26dBm30kHz3.5f7.5MHz4.0MHzf_offset8.0MHz-13dBm1MHz7.5fMHz8.0MHzf_offsetf_offsetmax-13dBm1MHz关键技术指标关键技术指标4.10 4.10 杂散辐射杂散辐射杂散辐射是指发信机在

31、频谱发射模板规定的频率范围之外的频段内发射的、信号之外的其他信号，它包括谐波分量、寄生辐射、交调产物、发射机互调产物等。这些杂散辐射都会对其他的无线通信系统造成干扰，对该指标的规定是为了提高系统的电磁兼容性能，以便与其他系统（如GSM）共存，当然这也保证了系统自身的正常运行，下面以WCDMA协议3GPP TS 25.141 V3.6.0 (2001-06) 中规定的NodeB发射机的杂散辐射模板指标要求之一为例来说明：关键技术指标关键技术指标Table 6.17: BS Mandatory spurious emissions limits, Category BBandMaximumLevelMeasurement BandwidthNote9kHz150kHz-36dBm1kHzBandwidthasinITU-RSM.329-8,subclause4.1150kHz30MHz-36dBm10kHzBandwidthasinITU-RSM.329-8,subclause4.130MHz1GHz-36dBm100kHzBandwidthasinITU-RSM.329-8,