如何應對TD-SCDMA對射頻子系統的挑戰

在3G標準中，TD-SCDMA以其智能天線、聯合檢測、上行同步等多種創新技術特征，獲得頻譜效率高、支持不對稱數據業務、系統性價比高等優勢。同時，也為研發工程師帶來不同于其他3G系統的設計挑戰。

具體到射頻子系統的設計上(如圖1所示)，在信號的時隙控制，多載波線性度惡化，整機的效率限制，以及多通道的增益平衡方面都需要認真加以考量。針對TD-SCDMA射頻子系統內有特殊技術要求的不同模塊，下文將分別詳細討論其設計難點及解決方案。

選擇開關

TD-SCDMA因其工作于時分雙工(TDD)模式，必須采用開關控制。同時，考慮到降低能耗，減少散熱以及射頻單元尺寸，也要求對發射機進行功率控制。針對小功率器件，可采用電源開關控制的模式；針對大功率器件，可以考慮偏置控制。

圖1：TD-SCDMA射頻子系統框圖。

雖然開關在TD-SCDMA系統中是必選項。但是長期困擾射頻工程師的問題是----很難選到功率承受能力足夠大的開關器件，采用開關組件價格太貴。我們可以考慮兩種解決辦法。對于小功率輸出的TD-SCDMA基站，可以考慮一些新近上市的高功率單片開關，如泰科(Tyco)旗下的M/A-COM公司的MASWSS0006，其0.1dB壓縮功率可達39dBm、插損0.4dB、開關時間小于40ns。采用SOT-26封裝，非常適合TD-SCDMA應用。

對于大功率輸出的TD-SCDMA基站，因為峰均比的關系，出現高于10W的峰值概率增大，耐受功率達40dBm的開關也很難保證自身安全，只能棄用。我們可以考慮先采用耐受功率較大的環行器隔離收發通道，再采用普通單片開關提高隔離度的變通辦法同樣可以達到系統的要求。

功率放大器

傳統移動通訊系統，多數工作在連續波狀態。而TD-SCDMA則必須工作于開關狀態。因此，一直習慣于設計連續波功率放大器(ＰＡ)的工程師不由得擔心，他們一直使用的LDMOS功率器件在TD-SCDMA系統上的表現。例如，在開關狀態時是否可行？其開關時間是否低于系統要求值？如何實施功率器件的開關控制？這些問題，經過器件廠家及用戶的研究及實用，正在逐漸明晰。首先，LDMOS器件是可以正常使用于開關狀態，其開關響應時間基本在幾十納秒量級，完全不會對系統的響應速度造成很大影響。

圖2：MW6IC2240N在六載波TD-SCDMA條件的輸出線性。

當然，事情不可一概而論，有一類特殊的器件――LDMOS線性模塊，因為其內部的大容值去耦電容較長的充放電時間影響了器件開關響應速度，除非采用了針對開關狀態的特殊處理，一般無法正常工作于TD-SCDMA系統中。而LDMOS的單管和IC，基本都可以在設計中考慮。具體的開關控制點，選在器件的柵極和漏極只有微小差別。但是，考慮到漏極通過電流大，對控制器件要求高，一般會選在柵極作開關控制點。

目前的TD-SCDMA系統，考慮到用戶容量，頻譜效率，其復雜程度正逐步提升。四載波，六載波正漸漸取代三載波配置成為主流。系統對PA的線性度，效率要求也水漲船高。傳統器件已力不從心，因此新型高線性，高效率器件紛紛被推出，以滿足TD-SCDMA日益嚴苛的需求。目前對六載波TD-SCDMA的線性度(ACLR)要求已達到-43dBc@1.6MHz、-48dBc@3.2MHz。在達到線性輸出的同時，整機效率則要求達到12%。這無疑對射頻通道，尤其是PA的設計提出了更高的要求。設計師不得已采用了預失真等線性化技術來平衡這兩個指標的矛盾。同時，采用新方案、選取新器件也是必需的。

飛思卡爾公司的MW6IC2240N就是候選者之一。頻率范圍2,010~2,025MHz，其輸出1dB壓縮功率可達40W，增益為28dB。相比第四代的MW4IC2230N，這顆六代器件輸出能力更強，功率附加效率(PAE)高達15%(線性輸出)。其內部結構由三級改為兩極，不但簡化了柵壓控制，也減輕了由此引起的溫度漂移大的問題。圖2所示為MW6IC2240N在六載波TD-SCDMA條件的輸出鄰道抑制(ACLR)特性，由此可見，設計者應著重考慮ALT指標對線性度的限制。

另外，英飛凌公司的PTF210451E因其單管的調節靈活性，也可作為末級的解決方案。TF210451E在六載波TD-SCDMA條件的輸出線性及效率如圖3所示。

圖3：PTF210451E在六載波TD-SCDMA條件的輸出線性及效率。

驅動放大器

驅動放大器包含從毫瓦到瓦級的功率驅動放大。因為其輸出功率相對PA級小，耗電電流相應較小，其時隙控制點可以考慮在電源端。驅動放大器較末級來說，功率余量大，只要器件輸出線性相對末級保證足夠余量，效率不要太低，都可以在考慮范圍內。倒是高增益，高線性的放大器目前普遍為工程師所青睞。

WJ公司推出的AH212增益可達25.5dB、輸出1dB壓縮功率可達1W、OIP3可達48dBm，以其5V/400mA供電，SOIC-8封裝方便了中國工程師的使用。M/A-COM公司最新推出的MAAMSS0058增益同樣可達25dB，輸出1dB壓縮功率可達2W、OIP3可達47dBm。

WJ公司的一款AP501憑借獨特的高壓HBT工藝，將器件調整到AB近A類的工作點，具有優異的回退或線性輸出特性。AP501增益30dB，以其輸出1dB壓縮功率4W，即可達到25.5dBm(ACLR@-50dBc)的WCDMA輸出。并且，其低成本的金屬模塊封裝(如圖4所示)，特別針對開關狀態的調校特性都很適合TD-SCDMA小功率末級或大功率末前級的應用。

圖4：AP501封裝圖。

衰減器

TD-SCDMA特有的智能天線技術，在多個傳輸通道(一般為8個)傳送不同相位的射頻信號在空中形成合成波束，達到空間分集的效果。因此，其系統基本要求就是各個射頻通道的一致性。實際工作環境顯然無法完全滿足這個要求，設計工程師只能通過選擇一致性較好的射頻器件以及精準的幅度調整來完成系統的通道調節任務(相位調整通常由基帶部分完成)。

Peregrine公司推出了5bit、6bit、30dB衰減的PE4306、PE4302，以獨特的射頻CMOS工藝，提供了業界最高的衰減精度水準(如圖5所示)。并且其串/并接口共片，衰減值上電設定到位的功能對壓縮布版尺寸，快速準確設定幅度都有實際的好處。

圖5：PE4302與其它品牌衰減器的衰減精度對比。

混頻器/變頻模塊

每個TD-SCDMA基站都有多個射頻通道，并且通常將射頻通道直接外掛在室外天線下面。系統對射頻通道的尺寸/重量，成本及散熱提出嚴格要求，因此多功能，高集成度的器件對TD-SCDMA系統有著不同于其它移動通訊標準的意義。

WJ公司的ML401以0dBm的本振電平，即可達到+17dBm電平才能達到的+35dBm輸入三階截點(IIP3)性能，省略了兩只本振驅動放大器。

更有意義的產品是WJ公司的CV2xx/CV1xx系列雙/單路變頻模塊(如圖6所示)。它集成了一到兩路收/發混頻電路，將多達六個分立的混頻器、本振放大器、射頻放大器、中頻放大器集成到一個器件中，大大提高了系統可靠性，降低了產品尺寸及成本。目前，這一個系列產品已在摩托羅拉、諾基亞等國外基站中大量使用。相信它也會成為TD-SCDMA系統中緊湊設計的利器。

圖6：CV2xx/CV1xx系列雙/單路變頻模塊框圖。

綜上所述，TD-SCDMA因其獨特技術特征，在射頻子系統設計中針對開關控制、線性度和效率等方面有其特殊考慮。但在實際應用中，仍然有許多需要完善的地方，有待工程師去研究、探索。