ANADIGICS AWT6221在双频段WCDMA/HSPA的手机设计应用

    一、CDMA/EVDO 及WCDMA/HSPA 概述

    CDMA （Code Division Multiple Access） 又称码分多址，是在无线通讯上使用的技术，CDMA允许所有使用者同时使用全部频带（1.2288Mhz），且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞问题。CDMA中所提供语音编码技术，通话品质比目前GSM好，且可把用户对话时周围环境噪音降低，使通话更清晰。就安全性能而言，CDMA不但有良好的体制，更因其传输特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大增强。 Wideband CDMA（WCDMA）宽带码分多址传输技术，为IMT-2000的重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统标准之一。

    CDMA2000 1xEV-DO是一种可以满足移动高速数据业务的技术。一条EV-DO通道的频宽为1.25 MHz。实际建网时需要使用两个不同的载波支持语音与数据业务，这虽然降低了频率利用率，不过从频谱效率上看，CDMA2000 1X+CDMA2000 1xEV-DO的传输数据能力已经超过WCDMA。而且从技术实现上面来看，语音业务和数据业务分开，既保持了高质量的语音，又获得了更高的数据传输速率。网络规划和优化上CDMA2000 1X和CDMA2000 1xEV-DO也相同，各个主要设备制造商的系统都能支持从CDMA2000 1X向CDMA2000 1xEV-DO的平滑升级，这对于电信运营商在技术和投资方面的选择都很理想，有助于CDMA2000 1xEV-DO的推广。

    WCDMA的R99和R4系统能够提供的上下行速率分别为64kbps和384kbps，为了能够与CDMA1XEV-DO抗衡，WCDMA在R5规范中引入了HSDPA，在R6规范中引入了HSUPA，HS-DPA和HSUPA合称为HSPA。HSDPA（高速下行分组接入）在下行链路上能够实现高达14.4Mbit/s的速率。通过新的自适应调制与编码以及将部分无线接口控制功能从无线网络控制器转移到基站中，实现了更高效的调度以及更快捷的重传，HSDPA的性能得到了优化和提升。

    二、CDMA/EVDO 及WCDMA/HSPA 的比较

    CDMA/EVDO 及WCDMA/HSPA 是3G部署范围广泛的两种技术。此两种技术取决于码分多址（CDMA）数字无线技术，使许多用户可以有效地利用同一块射频频谱中的语音和数据通讯。CDMA是种依靠独特的“切代码”分配给每个用户的扩频射频通信，以区别在相同RF频谱的其他使用者。频谱扩充提高了信道容量，并允许多个用户使用运营商的完整带宽。CDMA/EVDO网络运营商使用1.25MHz，而WCDMA/HSPA网络利用更广泛的5MHz。数据传输率还可以在无线网络中进一步增加高阶调制，以提供更好的用户体验与无线数据。

    多频段CDMA和WCDMA手机需要更大的射频设计工作，以提供足够的输出功率并确保线性度和效率在每个频带的正常运作。设计通常包括一个功率放大器和有利每个频段的双工，RF滤波器和开关，以配合多个射频输入至单一的天线。为了降低多频段手机设计的复杂性，ANADIGICS研发了双频CDMA和 WCDMA功率放大器模块。通过在单一封装中集成两个功率放大器模块，和之前使用两个单独功率放大器的DC和RF信号线设计相比，可有效减少电路板面积。本文将描述双频功率放大器模块在CDMA/EVDO和WCDMA/HSPA手机设计的典型应用。

    三、AWT6221R的产品定位

    本文将侧重于ANADIGICS AWT6221在UMTS第2和第5频段，双频段WCDMA/HSPA的手机设计应用。 ANANDIGICS的AWT6221曾荣获由中国产业信息部颁发的信息化应用、通信技术创新成果奖。

    AWT6221R的产品定位，是为了手机业Cingular的北美WCDMA双模蜂窝网络手机的需求而布局。3 mm x 5 mm x 1 mm，符合RoHS包装的表面封装机体，包含独立的射频功率放大路径，确保双波段的性能。与二个单频的功率放大器相较，足足节省25%的印刷电路板面积。手机制造商选用封装针脚，能够轻易发送VCC到功率放大器和一般VMODE的简易控制针脚。此装置是根据先进的InGaP HBT的MMIC技术所制造，具备质量可靠、温度稳定、耐用性佳等良好性能。

    四、ANADIGICS的HELP3功放

    AWT6221R结合ANADIGICS的HELP3技术，不需要外部电压调节器，即可提供低功率消耗。双重运作模式在高功率及中/低功率输出时，提供了效能，大幅增加手机通话时间与待机时间。其内置电压调节器无需外部电压调节和负荷开关。3 mm x 5 mm x 1 mm表面封装包含了配对网络优化的输出功率、50Ω系统的效率和线性度。

    和一般标准的功率放大器相比，AWT6221双频功率放大器大幅降低平均电流功耗高达75％，并增加高达25％的通话时间。

    ANADIGICS的HELP3功放，比如AWT6221功率放大器采用了该公司独有的InGaP - Plus技术，在同一BiFET晶圆片中，集成了HBT及pHEMT设备。通过可选的偏置模式， HELP3功率放大器在低范围和中端输出功率水平中呈现了的效率。智能偏置电路的AWT6221降在低功率水平中可降低电流功耗至8mA。通过集成两个独立的功放链，超迷你AWT6221在这两个频段中提供卓越的性能，并节省印刷电路板面积，见图1。

    图 1 AWT6221参考设计

    AWT6221是为双频段WCDMA/HSPA的手机UMTS频段2（824-849MH）和频段5（1850 MHz到1910MHz）而开发的。3GPP技术规范了用户设备第3级的功率，必需达到或超过这些性能水平：

    输出功率： +24dBm +1/-3 dBm

    邻道泄漏功率比（ACLR） +/- 5MHz: -33dBm

    邻道泄漏功率比（ACLR） +/- 10MHz: -43dBm

    谐波排放指定的频率：

    30—1000MHz: -36dBm/100kHz之间

    1—12.75GHz: -30dBm/1MHz之间

    869 —894MHz: -60dBm/3.84MHz之间

    1930—1990MHz: -60dBm/3.84MHz之间

    2100—2170MHz: -60dBm/3.84MHz之间

    大部分CDMA和WCDMA网络的频分双工系统，允许不同的射频频段分配给上行链路（从移动到基站）和下行（从基站到移动）同时间联系。双工器用于移动设备以允许UL和DL利用单一的天线。UMTS频段2中，我们选择Avago科技的微型FBAR双工高Q反应的ACMD - 7403。针对Band 5，我们选择Epcos低损耗SAW双工的B - 7663。该参考设计还包括CP402A薄膜功率方向耦合器的耦合AVX,为许多3G芯片组提供所需的射频功率。

    五、AWT6221的设计

    AWT6221参考设计的发展起始于功放进一步耦合与双工S参数的测量。在此测量上，零欧姆电阻被用来缩短电路板上的匹配元件，见图2。

图 2 S参数

    S参数描述N端口每一个端口网络反应的的电压信号。个数字的下标指的是应对口，而第二个数字指的是事件口。因此S21指信号端1在口2造成的反应。S参数来自行和列数量相等的矩阵口。沿S矩阵对角线的参数被称为反射系数，对角S参数被称为透射系数，因为他们只发生在单一端口。S矩阵的二端口网络见下表：

表 1 S矩阵的二端口网络

    反射系数（S11）针对频段2和频段5射频路径的频率范围来测试。功率放大器于不符合电路的输出形成一系列的阻抗变化，其结果显示于史密斯表格见图 3、图4。

    图 3 Cell Band: PA output to Antenna Port without Matching

    图 4 PCS Band : PA output to Antenna Port with（out） Match

    对于任何功率放大器，输出阻抗在运作上有重大影响，并强烈的影响了转移到天线，线性和运作效率的功率。像ANADIGICS厂商的功率放大器可帮助工程师做好权衡这些负载牵引信息。输出阻抗会被其他射频链元件特点所影响，如双工器和交换机并不总是50Ω。变异频率双工特征频段内的优势及运作温度，在发展良好的WCDMA射频设计中特别具挑战性，见图5、图6。

图 5 变异频率双工特征频段内的优势及运作温度

图 6 变异频率双工特征频段内的优势及运作温度

    研发AWT6221参考设计的下一步是匹配双工天线的阻抗，尽量减少在每个频段阻抗的变化频率。虽然简单的二元件从理论上看有超过窄带频率的优良表现，在更广泛的带宽中获得良好的表现，并补偿由于生产的公差和温度的变化，或电压造成的可预期变数，往往需要额外的符合要素。 3元件为两种频带选择的结果显示于史密斯图表。匹配的网络大大降低了在双工下的阻抗变数，从而简化了可符合的其余电路，见图7、图8。

    图 7 Cell Band: PA output to Antenna Port after Duplexer to Antenna optimization

    图 8 PCS Band : PA output to Antenna Port with（out） Match

    研发AWT6221参考设计的再下一步是功率放大器和耦合器+双工之间的配对。再次，针对频带2和频带5，为射频路径的频率范围来测定的反思（S11）见图9；终是要用于制定可符合在WCDMA运作中，每个频段以的阻抗变数，优化功率放大器性能要求的网络。与以前一样，3元件网络才能实现良好的效能；结果显示于图10、图11的史密斯图表。

图 9 射频路径的频率范围来测定

    图10. Cell Band: PA Load optimization

    图11. PCS Band : PA Load optimization

    终成品参考设计符合WCDMA在频段2和频段5于室温下的要求。此外，该匹配网络在所有预期范围内，仍能保持性能规格的条件下，将变化的频率，温度和电源电压减至少，见图12、图13。

    图12. Cell Band ACPR performance Over Temperature and Voltage

    图13. PCS ACPR performance Over Temperature and Voltage

    六、发展前景：在3G手机中的应用

    本文中讨论的参考设计可为新设计的3G手机，数据卡，无线调制解调器和其他的WCDMA/HSPA设备提供有用的起点发展。在研发新的设计时，工程师需要考虑设计的重要功能要求，并考虑改变在这里讨论的匹配网络，以实现在输出功率，线性度，效率和其他射频参数的权衡。审查每个功率放大器的负载牵引，将有助于确定可能不是50Ω的输出阻抗匹配点。这位工程师还必须考虑到每部分变异的射频路径和网络选择，减少天线输出的变数，并且不超过预期的使用温度，频率和电源电压，让所有的射频参数维持于可接受的水平下。，功率放大器的控制反射（回波损耗），以避免导致电路中的不稳定或振荡将是重要的。

    ANADIGICS的AWT6221是3G手机和数据设备中，双频功率放大器系列中的其中一款。目前ANADIGICS的双频功率放大器产品列出如下，新的设计也正在研发。

    ★ AWT6221: WCDMA/HSPA HELP3适用于UMTS频段2及5的双模PA

    ★ AWT6222: WCDMA/HSPA HELP3适用于UMTS频段1及6的双模PA

    ★ AWT6224: WCDMA/HSPA HELP3适用于UMTS频段1及8的双模PA

    ★ AWT6321: CDMA/EVDO HELP2适用于蜂窝及PCS频段的双模PA。