高定向性耦合器在手機功率放大器控制中的應用

在RF的應用中，定向性耦合器被用來在傳播方向上分離信號。在輔助臂(耦合線路)上感應的電波與在發射系統(主線路)中傳輸的前向電波成比例。感應能量與輸入能量的比值被稱為耦合因子。

　　定向性的定義是：當能量的傳輸發生在要求的方向上時，在一個耦合端口處的能量輸出，與當同等大小的能量傳輸發生在相反的方向上時，在相同的耦合端口上能量輸出的差別(單位為dB)。

　　耦合因子＝10log(P2/P1)

　　這里，P1是輸入能量，P2是耦合的能量。

　　定向性=10log(P2/P2R)

　　這里，P2是為前向信號提供的耦合能量，P2R是為逆向信號提供的耦合能量(圖1)。

圖1：(a) 前向、(b) 逆向定向性耦合器示意圖。

　　定向性(dB)=絕緣(dB)-耦合(dB)

　　有限隔離是有限的定向性產生的原因。能量計通過測量在耦合端口處的一個定向性耦合器的輸出，來測量在傳輸線路中的能量值。這一輸出受耦合因子的影響。在主線路中反射的能量將會產生一個測量誤差(定向性誤差)。能量測量的精確度可以通過消除反射信號，或者通過使用高定向性耦合器來提高。

　　手機中的能量控制

　　手機通過連接到RF電路的天線來接受和發射信號(圖2)。在3G頻段，WCDMA調制將使可變信號放大。通常情況下，可變信號放大能使本來平均的輸出能量達到一個峰值(超過3dB)，以覆蓋一個被256個用戶共同使用的帶寬為5MHz的通道。手機的輸出能量等級可通過基站調節，這要求來自手機的在同一個通道中傳輸的所有上行線信號，能在精確度小于1dB的范圍內被接收。如果不能滿足這個要求，則會由于信號過弱而導致通話被中斷，也就是說，來自用戶的服務感知等級很低。

圖2：基本的GSM+3G無線電功能方框圖。

　　與之形成鮮明對比的是，GSM波段采用TDMA標準，且伴有GMSK型信號調制，這里的移動用戶成為在給定時間間隙和通道內的唯一用戶。這意味著可以忽略較差的能量控制對網絡的影響，因為它對其他用戶的影響非常小。

　　高定向性耦合器的執行

　　密集天線環境中的任何改變都可能導致匹配不當，并且在某些特定場合，還會增加反射能量。我們將考慮的最大VSWR值是6比1，該值發生在最壞情況下，例如當天線不能被打開時。

　　為發射前向信號并過濾掉所有由于匹配不當而導致的、來自天線的逆向信號，必須在PA輸出和天線之間插入隔離器。輸入和輸出之間的阻抗值是 50Ω。大多數情況下都我們都希望去除隔離器，原因如下：隔離器體積太大，并且占據主要的PCB；隔離器的造價太高；隔離器會帶來很大的插入損失(一般情況下高于0.7dB)；隔離器對溫度非常敏感，并容易老化。

　　如今已開發出的耦合器解決方案可用于監測在能量控制應用中的PA輸出信號，并且這項技術還可用來監測由于天線不匹配而產生的傳輸能量和發射能量 (圖3)。

圖3：在一定向性耦合器下的能量控制。

　　“Vi/Vr”方法在監測中既包含對事件的監測，也包含對反射能量的監測。當在天線處探測過量的VSWR時，輸出能量將被減少到一個值，而這個值應盡可能地接近目標能量。

　　帶有標準定向性耦合器(低于10dB)的Vi/Vr方法的執行，并不那么切合實際，這是因為：(1)每個輸出方向必須有1個耦合器；(2)它的控制精確度非常差；(3)成本很高，應用起來非常復雜。

　　具有高定向性(高于15dB)的耦合器和均勻性能對監測入射能量信號和反射能量信號非常關鍵，它們能增加能量控制電路的精確度，并允許使用單個的耦合器。

　　單個微型AVX寬頻高定向性耦合器既可以探測到Vi，又可以探測到Vr，它允許利用被測的入射能量與反射能量的比值來精確控制輸出能量。

　　但需要注意的是，這一比值是獨立于耦合因子精確度的(只要探測器收到的信號足夠多)，但如表所示，它對定向性的依賴性非常強。

　　表：能量控制精確度。

AVX高定向性耦合器

　　開發AVX高定向性耦合器的目的是為了滿足這一應用領域的迫切要求。在一個很小的物理空間內實現高定向性非常困難。通過從電場和磁場獲得平衡作用，并精確地應用相計算，可以大大優化耦合器定向性。

　　AVX采用了金屬陰極濺鍍、平版印刷術以及電鍍等半導體生產工藝技術。這些技術使得金屬傳導器具有精確的幾何尺寸。

　　CP0402和CP0603系列的AVX高定向性耦合器基于薄膜多層技術，具有非常出色的高頻率性能以及堅固的結構，這使得自動化裝配變得非?？煽?。

　　耦合器可以應用到一個非常寬的頻帶范圍內，而且很容易得到中間耦合值。某些高定向性耦合器型號具有如下的特性：頻率范圍從400MHz到高于 6GHz、耦合因子從8.5dB到27.5dB@1950MHz。

圖4：AVX耦合器的細微金屬元素。

　　執行上述的輸出能量控制技術，我們可以獲得以下幾個方面的好處：可大大增長手機的通話時間；PA輸出能量可以被精確控制；不再需要隔離器；成本降低；在PA和天線間的插入損失被減少到最小值；PCB的高度和尺寸減?。籌損耗很低(0.2dB)；導向性很高(超過20dB)等等。