增强型MIMO射频发射稳幅环路的设计与实现

作者：朱亮,武敬飞时间：2019-10-29来源：电子产品世界收藏

朱亮¹ ，武敬飞 ²

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201910/406440.htm

1.中电科仪器仪表(安徽)有限公司安徽蚌埠 233010

2.电子信息测试技术安徽省重点实验室安徽蚌埠 233010

摘要：介绍了LTE-A增强型MIMO技术的基本要求，并结合可调衰减器、对数检波器、放大器、功分耦合电路、AD、DA和FPGA设计了一种数字稳幅环路，满足LTE等标准通信制式40 MHz信号带宽和μS级响应时间要求，并经过印制板加工及测试，实验结果满足设计指标。

关键词：MIMO; ALC; 宽带放大器; 衰减器

0 引言

LTE-A^[1]是在LTE基础上的继续演进,其目标是满足国际电信联盟无线部门(ITU-R)IMT-Advanced的需要,同时支持与LTE的后向兼容性。LTE-A最基本的特征就是支持更高的数据速率,其中增强型MIMO技术被认为是LTE-A为达到更高的峰值速率而采用的主要技术。LTE-A在保证较高数据速率的同时对输出信号的功率稳定度要求也不断提高，为了实现这一关键技术，必须对输出射频信号进行闭环幅度控制(Auto LevelControl,ALC) ^[2]。

1 闭环幅度控制(ALC)基本工作原理

针对射频CW信号、矢量调制信号以及通信制式信号进行输出时，尤其对标准通信制式信号而言，其最大输出功率、绝对功率控制容限、相对功率控制容限、聚合功率控制等多项主要指标测试都和下行信号的幅度稳定度、精度密切相关，如果要实现信号的稳定输出，就必须对输出信号进行闭环幅度控制（ALC Auto LevelControl），传统ALC稳幅环路采用负反馈模拟积分环路实现信号的稳定输出，输出信号发生变化时，耦合功率通过反馈电路检波后进入积分求和电路，在积分求和电路中与参考预置电压比较，求出差值控制压控衰减器调节衰减器量，保证射频输出功率的稳定性，其原理如图1所示。

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图1中射频输出功率动态范围往往受限于二极管检波器和相关电路，造成输出功率范围远远小于压控衰减器的功率动态范围；ALC调制带宽受限于ALC系统的迟滞特性；另外，由于ALC稳幅环路响应时间较长，无法满足通信标准制式信号响应时间要求。

针对这些缺点，本文提出新型数字稳幅环路，该稳幅环路结合压控可调衰减器、对数检波器、放大器、功分耦合电路、AD、DA和FPGA组成，其原理如图2所示，射频输出信号功分/耦合功率经该检波器输出模拟电压，该电压经过AD处理，处理后数字电压在FPGA中与参考AD值进行比较求得差值，该差值与预置DA值求和或差，将处理后的数据经过DA处理控制压控调制器的衰减量，从而保证输出信号功率的稳定。

通过调节射频输出反馈功率到实时对数检波器的线性范围，实现可变压控衰减器32 dB的动态范围；同时，通过高速AD、DA、FPGA数据采集处理，ALC环路带宽满足LTE等标准通信制式带宽，能够达到40 MHz信号带宽，且稳幅环路响应时间满足LTE信号μs级响应时间要求。

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2 方案设计与实现

1)射频发射通路放大器设计

为了避免在增强型MIMO射频发射通路中中衰减器、开关、滤波器以及功分器对输入信号存在较大的损耗，保证通信矢量信号在最终输出端功率满足设计指标，需要在射频发射通路中进行功率放大从而补偿信号差损。为了实现100 kHz~6G Hz射频信号的稳幅输出，在600 MHz~6.0 GHz频段内采用FGB-1509A宽带放大器进行放大，而100 kHz~600 MHz频段信号是射频信号与2 GHz本振信号混频产生，混频器选用ADE42，该混频器变频损耗达到7.5 dB，且混频后产生的信号需要经过650 MHz低通滤波器进行滤波，信号损耗较大，同样需对信号进行补偿，这里选用Mini公司的ERA-5SM进行放大。HMC788LP2E放大器P1 dB压缩点达到20 dBm，故本模块在最后一级放大采用该芯片，各放大器器件指标如表1所示。

由表1器件指标可以看出，射频发射通路通过采用三级放大^[4]方式，通路输出功率能够达到8 dBm，保证信号发生器最终输出大于10 dBm的功率。各放大器偏置通过8 V电压供电，供电电压经过偏置电阻、去耦电容和RFC到放大器输出端压降为5 V，对于去耦电容和RFC的选取需要通过工作频段进行调试，输入输出端口隔直电容C1、C2根据最小工作频率100 kHz选取值为0.1μF，ERA-5SM和HMC788LP2E放大器最终设计电路如图3所示。

2)射频发射通路预置衰减器设计

当MIMO射频发射通路输入信号大于0 dBm时，会出现整个射频通路在输入前端就存在功率压缩的可能，针对此种情况，本方案在射频通路输入端加入数控衰减器^[3] HMC624LP4，该器件主要器件指标如表2所示。

由表2可知，HMC624LP4插入损耗较小，在整个频段具有31.5 dB的衰减范围，且具有较高的1 dB压缩点和3阶截断点。该器件具有串行和并行控制两种模式，通过分析比较，本方案选取并行控制方式，控制电压由稳幅板FPGA提供，其控制电路如图4所示，其中C5~C8电容值由最低输入频率决定，这里最低输入频率为600 MHz，故选取电容值为330 pF。经实际测试，30 dB衰减量按送数控制满足设计指标，保证了整个变频通路功率满足不压缩，且该衰减器在后期软件校准过程中能够参与整机校准。

3)射频通路设计

射频CW信号、矢量调制信号以及通信制式信号输入到增强型MIMO射频发射通路时该模块主要完成对射频信号进行通路放大，频率扩展以及参与ALC稳幅设计等功能。射频发射稳幅环路原理框图如图5所示。该电路从射频输出口取样检波，经过A/D进入FPGA。FPGA对该信号进行分析处理后，产生相应控制信号，经过D/A转换成模拟电压信号控制可调衰减器，完成射频信号输出功率自动控制功能。

由于射频模块器件输入输出负载阻抗为50 Ω，故要求本方案信号射频走线阻抗^[5]同样为50 Ω，本文印制板使用叠层的方式，其中第一层介质材料为Rogers4350B,板厚为20 mil，介电常数为3.48，通过仿真软件Polar Si9000计算得到射频走线宽度为40 mil。

根据图5所示原理框图，画出相应的PCB外协加工，将加工的印制板安装到提前设计好的屏蔽盒中，结合开闭环测试程序进行测试，安捷伦N9020A测试结果如图6所示，其中图6为输出信号功率测试结果，由测试结果满足设计指标。