基于射频功率放大器的GSM/DCS双频段RF射频前端设计

      本文提出一种新颖的射频功率放大器电路结构，使用一个射频功率放大器实现GSM/DCS双频段功率放大功能，锐迪科的RDA6218就是采用这种结构。射频功率放大器管芯由原来的两个减少为一个，同时此结构射频功率放大器及输出匹配网络与CMOS控制器、射频开关集成至一个芯片模块，组成 GSM/DCS双频段射频前端模块，如图1所示。

图1 GSM/DCS双频段射频前端模块示意图。

单芯片放大器电路

本设计中的射频功率放大器电路采用三级放大的电路形式。如图2所示，将射频功率放大器电路的第一级分成两个独立的输入端，分别对应于GSM 和DCS功率放大频段。然后共用第二级和第三级放大电路。在输出端实现了可以同时应用于GSM、DCS频段的输出匹配网络。由于第二级和第三级为GSM和 DCS两个频段共用的电路放大级，因此在设计此两级电路时需要同时兼顾GSM和DCS两个频段的要求。

 

图2、 双频段功率放大器电路原理图。

本电路中第三级设计为功率放大级，在通常电池电压供电的情况下，为使GSM频段和DCS频段功率输出分别达到35dBm和33dBm,因此 GSM频段和DCS频段的功率输出阻抗分别设计为2Ω和3Ω。由于GSM频段输出功率大于DCS频段输出功率，因此设计第三级功率管Q3最大输出功率达 35dBm。

该电路中第二级为功率驱动级，因为需要同时覆盖GSM和DCS两个频段，频率范围很宽，因此设计第二级放大电路采用负反馈结构，将工作频率从GSM频段拓宽至DCS频段。同时，第二、三级级间匹配网络也设计为宽带匹配网络。本设计电路中，第二级和第三级的总体增益设计为25dB，频率范围覆盖GSM和DCS频段。仿真结果如图3所示。

　

图3 第二级和第三级增益仿真结果。
 

由于高频段（DCS）的增益在第二和第三级时略低，因此设计第一级放大电路时，DCS频段第一级增益比GSM频段第一级高约3dB。同时，在DCS 频段射频输入端加入滤波网络，如图2所示。此滤波网络对GSM频段信号起到带阻作用，同时对DCS频段信号起到带通作用，加入此滤波网络可有效地提高交叉隔离度。该滤波网络的仿真原理图与仿真结果分别如图4、图5所示。本设计电路GSM频段和DCS频段总增益仿真结果如图6、图7所示。

图4 DCS频段输入滤波网络仿真原理图。

　　
图5 DCS频段输入滤波网络仿真结果

图6 GSM频段总增益仿真结果

图7 DCS频段总增益仿真结果

高隔离射频开关

本文设计的GSM/DCS双频段射频前端模块中，GSM/DCS双频段射频功率放大器管芯的输出端分别与GSM输出匹配网络和DCS输出匹配网络连接至同一节点。而DCS工作频段范围为1710MHz~1910MHz，覆盖了GSM频段（880MHz~915MHz）的二次谐波频率范围（1760MHz~1830MHz）。因此当GSM频段发射选通时，GSM频段射频信号的二次谐波可通过共同节点泄漏至DCS输出匹配网络，从而传输至天线。

虽然GSM频段发射选通时，射频开关DCS端为关闭状态，但由于普通射频开关处于关闭状态时，隔离度只有20dB左右。因此，当GSM频段二次谐波信号较强时，仍有一定功率的射频信号通过射频开关DCS端耦合至天线，使得GSM频段发射时，天线端输出的GSM频段二次谐波信号较高，超出系统指标要求。为了满足通信系统要求谐波分量在-30dBm以下的要求，射频开关的DCS端设计为高隔离结构，当射频开关GSM端选通时，DCS端至天线端的隔离度高达80dB，使得GSM频段信号的二次谐波无法通过射频开关DCS端传输至天线，从而极大地降低了两个频段之间的射频干扰。

本文小结

本文提出一种新颖的射频功率放大器电路结构，使用一个射频功率放大器实现GSM/DCS双频段功率放大功能。同时将此结构射频功率放大器及输出匹配网络与CMOS控制器、射频开关集成至一个芯片模块，组成GSM/DCS双频段射频前端模块，其中射频开关采用高隔离开关设计，使得谐波满足通信系统要求。本文设计的GSM/DCS双频段射频前端模块，在GSM发射模式下，模块天线端输出功率为33dBm，效率38%，谐波抑制-33dBm以下；DCS发射模式下，模块天线端输出功率为30dBm,效率30%，谐波抑制-33dBm以下。