[信息与通信]直放站小信号电路设计.ppt

Netop Technology Co., Ltd,R&D System, January 30, 2019,小信号电路设计,本讲义以小功率直放站（PICO)作为范例讲述小信号电路的具体设计过程。,目录,1、概述 2、参考标准以及文献 3、设计思想 4、原理框图 5、原理说明 6、关键技术 7、结构以及接口定义,1概述,1.1无源互调仪用途 1.2技术指标 1.3功能要求 1.4产品型号 1.5接口说明,1.1 适用范围,小信号电路设计在直放站设备中主要应用在低噪声放大器、变频器、光模块的接收端的信号放大、功放模块的前级推动等模块中。,1.2 技术指标,1.2 技术指标,1.2 技术指标,1.3 功能要求,功率指示（有下行输入功率、下行输出功率、下行输出反射功率，上行输出功率。） 大驻波检测/告警（注意在这里只检测重发天线端口。根据下行输出反射功率和下行输出功率进行计算得到驻波比。）电压驻波比计算公式 ALC（单频段和多频段设备ALC控制方法：有上行ALC、下行ALC功能。ALC开关分上行ALC开关和下行ALC开关；多频段共用同一个ALC开关；ALC门限分上行ALC门限和下行ALC门限；不同频段的ALC门限为不同的参数多子带的ALC控制方法：每个频段有一个上/下行ALC门限，射频单元完成总功率的ALC控制。）,1.3 功能要求,射频电源开关（本地监控界面上出现的参数为：射频电源开关、上行功放开关和下行功放开关；当设置射频电源开关为开或关时，同时开启或关闭上行射频电源和下行射频电源、当设置射频电源开关为关时，同时关断上行功放开关和下行功放；上下行功放开关的操作，不应影响监控参数射频电源开关的状态值。多子带设备每个子带有一个信道开关。） 增益调节（每个频段都有上下行独立调节，步进1dB，可调范围30dB。多子带情况下，每个子带增益可独立调节。）,1.3 功能要求,增益温度补偿（在信道部分增加一组衰减脚，当其它衰减量不够时作为增益温度补偿使用，增益衰减调节时不优先打此脚。整机增益调节范围增加4dB。温度变化范围0到45，每10变化1dB 连同基准点共有3dB的补偿量。）,1.4 产品型号,根据公司的最新命名规则定义。,1.5 接口说明,根据前方需求和实际电路设计综合考虑。,2 参考标准以及文献,YD/T 1337-2005 900/1800数字蜂窝移动通讯网直放站技术要求和测试方法。 国外其它运营商的相关产品需求。 公司ISO9000设计控制程序。,3 设计思想,3.1指标分析与电路设计思想 3.2热设计思想说明 3.3可靠性设计思想说明 3.4可测试和可维护设计思想说明,3 设计思想,小功率直放站由室外天线直接接收空中的下行信号，经前级低噪放大、频段选频、然后放大到一定的功率，由室内天线进行覆盖；由室内天线直接接收室内移动台的上行信号，经前级低噪放大、频段选频、然后放大到一定的功率，由室外天线送回基站；建立室内的上、下行通信，实现室内盲区的覆盖。模块有独立的数字监控电路，完成一系列数字控制、检测及通信的功能。上/下行射频电路集成到一个模块上，并考虑100mW、200mW以及500mW系列小功率直放站的兼容。,3.1 指标分析与电路设计思想,指标分析 技术指标要求，小功率射频单元的关键指标指标主要包括噪声系数、带内波动、电压驻波比、线性、带外抑制等。 噪声系数：对于GSM、DCS不考虑最小增益，比较容易满足；但对于CDMA、WCDMA要求最小增益噪声，所以衰减不能全部设定在低噪放里面，只能低噪放、信道各设部分衰减。 带内波动、带外抑制：带内波动主要由射频声表与中频声表决定，带外抑制主要由中频声表决定，所以选择射频声表与中频声表时，带内波动、带外抑制一般要相互兼顾，尽量在干路少用射频声表。 电压驻波比：电压驻波比主要由双工器决定，尽量选用驻波好的双工器。 线形：对于GSM、DCS、CDMA只要求输出线形，所以只需适当选取末级功放管。而WCDMA则要求输入互调，所以低噪放部分不但线性要好，增益也不能太高，还要兼顾噪声，输出端则只需适当选取功放管。,3.1 指标分析与电路设计思想,电路设计思想 小信号射频模块要求有完整的射频通路，采用兼容设计，用同一块PCB，分别将上/下行低噪放、上/下行信道，上/下行小功率功放等射频电路集成到一个射频模块上，对于输出功率为500mW射频模块的下行功放部分，则另外采用单独的PCB小板，装配时替换到相应位置。两PCB板间用射频电缆连接。独立的数字监控功能，可以直接与PC机通信、工作，完成调试。其中上下行电路可独立工作，有独立的射频开关，便于调试；通过本地监控可以设置ATT、ALC，监测各功能是否正常；调试时可以根据各项检测、告警，很方便判断模块性能好坏。 特别注意：在实际生产过程中由于PCB功放部分小板与大板之间的衔接的不匹配，造成差损大、驻波差，故最终的功放的线性比较难调。 建议：在实际的设计过程中能够采用一体化板的尽量考虑一体化板的设计，这样对后期生产的一致性调试比较有保障。,3.2 热设计思想说明,热设计主要有两个方面： 功耗大的模块，结构加散热器，适当加大功率容量。 功耗大的元器件充分接地，紧贴结构便于散热。 注意：在热设计过程中必要时要求结构工程师提供热仿真数据，在理论上验证散热能够满足要求。,3.3 可靠性设计思想说明,尽量选择成熟器件。 功耗大的元器件充分散热，控制温升。 采用多螺钉固定PCB板，增加散热能力，防振动、冲击。 将电路板密封于金属腔体内，增强静电防护、电磁抗干扰能力。 对于高增益一体化小信号模块，为防止环路自激必要时在金属腔体缝隙内采用屏蔽胶封闭。,3.3 可测试和可维护设计思想说明,设置多个关键测试点。 关键器件均放置于正面，便于测试、调试及维修。 结构尽量简单，便于拆卸。,4 原理框图,5 原理说明,5.1主传输链路设计原理说明 5.2检测电路设计原理说明 5.3控制电路设计原理说明 5.4电源部分设计原理说明 5.5射频指标分配 5.6系统功耗分析 5.7系统构成,5.1 主传输链路设计原理说明,主链路主要是上下行射频链路，其中上下行又有三个部分组成：低噪放、信道及功放。不同部分完成功能有不同的侧重点。 低噪放部分设计重点在于尽量减少小信号放大过程中噪声的引入； 信道部分设计重点在于滤波，设计时重点在于对带外信号的抑制； 功放则是为放大并滤波后的信号提供高线形的输出。,5.2 检测电路设计原理说明,小功率射频部分的检测电路主要是功率检测、温度检测及电流告警检测。 功率检测主要通过耦合干路信号由HSM2850、AD8314、AD8362、HMC610等检测芯片接收检测并转换为电压，其中下行输入功率检测是在信号耦合输出端加了一级射频滤波，滤除本振对检波的影响。（具体的检波方式分：峰值检波、均方根检波） 温度检测则通过温度传感器将温度的变化转换为电压的变化。 电流告警检测主要是通过检测通过电阻两端电压比较放大后输出一个高或者低电平。,5.3 控制电路设计原理说明,射频部分的控制电路主要有ALC、增益调节、增益温度补偿、频率偏移补偿，其原理如下： ALC：由控制板检测输出功率控制衰减器的衰减量以得到输出功率的稳定。 增益调节：由控制板提供衰减量控制射频链路的增益。 增益温度补偿：由控制板检测系统温度，根据链路增益变化与温度变化的关系，调整衰减量保持增益在要求范围内。 频率偏移补偿：由控制板检测系统温度，根据链路中频声表的中心频率变化与温度变化的关系，控制本振频率的偏移以保持信道中心频率工作在正常范围内。,5.4 电源部分设计原理说明,射频模块所需电源为5V（500mW功放需另外供27V），由外接电源提供，电源电压稳定，纹波小，所以，考虑到空间不够，在射频模块内对电源不作专门处理，只在一些关键器件的电源输入端进行LC滤波。,5.5 射频指标分配,上行的指标分配如下图：,5.5 射频指标分配,DCS小功率直放站不需要考虑最小增益时的噪声系数，所以仅在LNA中含有一个31dB数控衰减器 下行的指标分配如下图：,5.5 射频指标分配,增益指标 增益的分配主要影响系统得噪声与线性，对于GSM、DCS系统不考虑衰减后的噪声，所以线性与噪声不会有太大冲突，而CDMA、WCDMA系统需要考虑衰减后的噪声，且WCDMA系统还需要考虑输入互调，所以线性与噪声比较矛盾，需要平衡两个指标，而且WCDMA下变频混频器前的增益要尽量低。,5.5 射频指标分配,杂散指标 杂散主要有带外杂散、带内杂散。带外杂散主要决定因素是本振通过上变频混频器串入射频主路而应起的杂散，需要两到三个声表来滤除，这又与波动矛盾，需要平衡两个指标。而带内杂散主要受系统噪声、本振相噪、电源串扰腔体弱自激影响。其中系统噪声、本振相噪、电源串扰均在噪声分配、锁相环路设计、电源处理得到控制，而腔体弱自激相对比较难控制，这就要求结构分腔要合理，密封性、隔离效果要好。,5.5 射频指标分配,互调指标 互调指标主要指输出互调，同时也包括WCDMA的输入互调。其决定因素主要是选取适当放大管及适当分配增益。,5.6 系统功耗分析,6 关键技术,6.1 上下行隔离度考虑 6.2 增益调节（ATT）技术 6.3 自动增益电平控制（ALC)技术 6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术 6.5 线性化技术及指标 6.6 EMC设计注意要点 6.7 系统和RF部件结构设计理念,6.1 上下行隔离度考虑,1）直放站设备是一种双向放大器，上、下行支路隔离度不够将引起自激。 自激的条件：,6.1 上下行隔离度考虑,举例：假设直放站增益为95dB，双工器损耗2dB,双工器上下行隔离度90dB 则： 此状态有可能自激，仅仅依靠双工器的抑制是达不到理想的效果，并且90dB的双工器隔离器度指标已经是比较高了。 解决此问题只能在上下行链路中串加滤波器或者是在通路中增加变频模块，来改善隔离度。当然了我们也可以考虑市场上比较流行的干扰自消除的方式来降低隔离度的要求，也就是所说的ICS模块。,6.1 上下行隔离度考虑,2)增加中频SAW来改善隔离度,6.1 上下行隔离度考虑,3）对于上下行支路中没有滤波器或中频SAW的链路，我们还有考虑过渡带的抑制是否能够满足要求。,6.1 上下行隔离度考虑,上行信号分离：充分保证上、下行隔离度，保证上、下行及过渡带不自激。如果仍然不能保证要考虑串接滤波器来改善抑制。 要考虑直放站共址时，特殊频点或频段的远端抑制 防止上行或下行功放信号泄露进入下行或上行低噪放引起饱和。 防止宽带噪声落入前端低噪放，引起噪声系数热化。比如在实际设计当中由于直放站后端的增益和噪声过大可能造成上行或下行噪声急剧热化，甚至不能准确的测试。,6.1 上下行隔离度考虑,举例说明： 假设直放站PA的设计增益为45dB,PA的噪声系数为10dB.双工器的上下行隔离度只有50dB.低噪声放大器的噪声系数为2. 此时PA输出的宽带噪声底为： 经过双工器衰落后落入上行的噪声信号为 低噪放的输入噪声底为： 此时等效噪声就会急剧热化。,6.2 增益调节（ATT）技术,ATT的作用： 根据不用的应用场合适当的调节直放站的上下行增益和输出功率； 调节直放站的输出噪声电平，防止对基站干扰或者是串并连时噪声平衡； 防止信号过大进入上下行链路，引起放大器饱和。 右图为HMC624LP4E工作方式有串并联两种方式 常用的数字衰减器还有：PE4302、HMC472、HMC273等 当然了我们也可以采用模拟ATT电路。,6.2 增益调节（ATT）技术,模拟ATT电路： 下面是由两个HSMP-3814组成的ATT电路原理图：,6.2 增益调节（ATT）技术,下面是用HSMP-3814组成的ATT电路pcb图： 在pcb板的布局中，需要注意以下几点： 1、HSMP-3814之间的间离不要靠的太近，避免通过两者之间的耦合减少ATT衰减值范围。 2、滤波电容要尽量贴近HSMP-3814的管脚，且一定要保证良好接地。 3、ATT输入端不要从两个HSMP-3814的中间接入。 4、也可以采用1个HSMP-3866替代两个HSMP-3814，这样对布板和基准电压的供电要求更低。,6.2 增益调节（ATT）技术,总结：ATT衰减电路有很多种，可以根据实际电路需要设计。,6.3 自动增益电平控制（ALC)技术,ALC 的作用： 保证直放站以额定功率输出，不会因直放站达到输出功率，输入功率增加而输出功率还继续增加； 保护功放（不超过额定输出功率）。 主要指标： 起控10dB后，保证交调、杂散、线性等指标。,6.3 自动增益电平控制（ALC)技术,ALC（自动电平控制）电路是用于控制电路的输出功率电平的。其主要工作原理是：先把从电路输出端耦合过来的射频信号检波成直流分量，然后送入二级运算放大器进行反相放大，放大后的直流电压再送回输入端作为电调衰减电路的可变偏压，从而控制输出信号电平的幅度。 路主要使用到的元件有检波管、电调二极管和运放。,6.3 自动增益电平控制（ALC)技术,需要特别注意以下几点： 1、信号耦合的强度要保证检波管工作在线性范围。 2、耦合检波电路中，平衡耦合微带线的匹配电阻为51R；可以根据信号的检波强度选择合适的衰减网络，根据实际取值。 3、RC网络的电阻、电容的取值要合适。 4、电源滤波。ALC电路调节部分的+5V电压可以通过三端稳压块获得。 5、两级放大之间要加一个隔离电阻，（特别是输出功率检测和ALC电路共用用一个检波管和一个放大器时，可以减小两者之间的相互影响。建议输出功率检测与ALC电路使用独立运放。 6、在ALC电路中，电调管的可变偏压前一定要加滤波电容；否则由于在走线中引进了高频成分会导致起控后信号波形失真。但如果电容值太大会影响反馈电压的速度，从而不能实现ALC的实时控制。 7、如果要实现时隙ALC，一定要减小反馈的时延，保证ALC电路的传输速度，运算放大器要改用高速运放。 8、设计ALC和功率检测电路时，要规范调节电位器的布局，满足右旋电位器时ALC变大。同时要考虑电位器调节的余量，选择合适阻值的电位器。,6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术,由于中频SAW矩形系数好，可实现对带外贡献较高的抑制度。 可以实现工作频带可变。 其中从选频方式上可以分为：载波选频、频段选频、可变带宽及移频四种形式。 载波选频：只有合适频率的信号才能通过,6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术,频段选频：一段频段信号可以通过其他信号被抑制掉。,6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术,频带可变：通过设置不同中心频点和带宽实现频带可变，适用不同网络应用环境，应用灵活。,6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术,移频方式：将工作频点或频带搬移到其他频点或频带，降低对收发天线隔离度的要求。 例如：将900MHz的信号搬移到1800MHz，最后再还原为900MHz的信号,6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术,中频SAW滤波的主要指标：,6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术,混频器的主要指标及特性： 本振/射频/中频 混频插损 本振与射频、本振与中频隔离度 本振功率 输入IP3 注意：当本振功率没达到额定功率时，对混频器的插入损耗影响较大；当本振功率达到额定功率时，混频器的插入损耗相对稳定。,6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术,混频器的主要指标及特性,6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术,上下行变频电路原理框图 F1、F2抑制本振，防止带外组合杂散泄露； A3、A4防止输入输出信号及中频信号 通过本振源串扰。 注：保证工作频带范围，混频器足够的本振功率，否则有可能造成低增益或波动变差。,6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术,RF信号（中频信号）通过混频器后除了有所需的上（下）变频信号外，还有很多不需要的信号，通过杂散的分析与计算就是合适的本振和中频频率，以防止杂散落入工作频带及附近，无法滤除。,6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术,举例：假设 ，中频选择 则本振频率 . 如： 即频率948MHz信号同714MHz（960对应本振频点）的5阶组合杂散就会落入工作频带，无法滤除。 频率合成法分析表明：为防止组合杂散落入带内，又便于对本振的抑制，原则上： 左右比较合适,6.4 中频SAW滤波、混频及选频技术,直放站防止混频杂散串扰的常见方法： 在选定中频滤波器的前提下，灵活选用高低本振，如上例 时，如果选择高本振，则5阶组合杂散就不会落入工作频带内。 通过射频滤波器、腔体、控制电路等方法阻止干扰。,6.5 线性化技术及指标,低噪放、混频及小信号放大器线性保证主要是通过回退实现，功放为保证效率和成本，有多种方式。 前馈抵消技术 数字预失真技术 功率回退技术 RF线性主要指标：三阶交调IM3、三阶截获点IP3、1dB压缩点、邻道抑制ACPR等,6.6 系统和RF部件结构设计理念,直放站是一种功率放大设备，要注意充分散热； 直放站是一种含低、高频数字及模拟信号系统，系统及结构设计要充分考虑EMC设计； 考虑低成本、模块通用、连接线缆尽量少、结构集中等原则。,6.7 EMC设计注意要点,电源线、数字信号、模拟控制线不要捆绑在一起； 注意模块及控制电路内的去耦滤波，防止内部干扰串入其他电路； 注意射频线不要敞口，防止泄漏； 电源给模块及电路板供电不要采用串联形式，应采用并联的方式； 注意每组电源线及接线端子的功率容量。,7 结构以及接口定义,内部结构示意图 射频接口 内部电源、数据接口定义,Thank you！,