功放模块系统设计基本技术演示幻灯片.ppt

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Power model,设计,MCU,、,DSP,监控软硬件设计,FPGA,数字单元软硬件设计,PCB,设计,结构设计,8,模块内部构造,二、功放基本构成,射频技术,匹配问题（包括功放管匹配）：功放管输入输出匹配、级间匹配、端口匹配；,功率的分配与合成；,射频隔离：前后级隔离、单元电路之间的隔离；,取样检测：耦合取样、输入输出功率检测、反射功率检测；,信号的控制：栅压、,AGC,、,ALC,、,EQ,、调幅、调相、调时延、,ATT,、,TDD,切换等。,9,模块内部构造,二、功放基本构成,功放标准电路（见标准电路设计规范）,10,模块内部构造,三、功放的关键器件,板材及微带电路设计,要求：熟练掌握,ADS,、,ansoft,、,HFSS,、,Wave office,等软件至少,1,种；,11,模块内部构造,三、功放的关键器件,RF,信号传输,1,）同轴线,2,）平行双线,3,）微带线,4,）带状线,5,）波导,6,）槽线,7,）共面波导,12,模块内部构造,三、功放的关键器件,系统增益分配及,NF,等仿真计算,要求：熟练掌握,APPCAD,等软件至少,1,种；,13,模块内部构造,三、功放的关键器件,关键器件选型,-,隔离器,1,、铁氧体隔离器为什么具有单向导通特性（或旋磁特性）？,2,、铁氧体隔离器关键材料是什么？,3,、铁氧体属于磁性材料，具有磁性吗？,4,、永磁体属于磁性材料，原材料具有磁性吗？,5,、隔离器在功放产品应用中，有哪些常见问题，在设计中如何考虑？,14,关键器件选型,-,隔离器,三、功放的关键器件,手工装配类,双隔离器类,大功率,SM,T,贴片类,同轴隔离器类,隔离器,环形器,SM,T,贴片类,15,关键器件选型,-,隔离器,三、功放的关键器件,序号,隔离器结构件,材质或厂家,表面处理,作用,1,腔体壳,铁、,A3,钢,镀镍或镀银,接地、散热,2,铁氧体,钇铁石榴石,单面镀银,提供旋磁,3,负载（衰减片）,ALN,（,ANNAREN,、,KDI,、,KMC,）,一面镀银一面涂漆,吸收反射功率,4,中心导体,铍铜和黄铜 镀银,镀银,信号载体,5,永磁体（磁钢）,钕铁硼,、钐钴、锶钙,镀镍或镀锌,提供外加偏置场,6,匀磁片,铁,镀镍或镀银,均匀磁场,7,温度补偿片,无,温度补偿,8,盖板,不锈铁,无,紧固零件,9,屏蔽片,不锈铁,镀镍或镀银,屏蔽和均匀磁场,10,垫片,紫铜,镀银,11,胶水,“聚乙烯”橡胶,固定引脚,12,标签,13,（其它）,铁氧体带戒指环,固定,16,关键器件选型,-,隔离器,三、功放的关键器件,铁氧体,-,特性及应用：,利用这种材料,在直流磁场和微波场共同作用下呈现出的旋磁效应制成的微波铁氧体器件如环行器、隔离器等,，,铁氧体隔离器：,是一种单向传输电磁波，微波信号功率沿正向方向传输，将功率几乎全部传输给负载；而负载反射功波则不可逆。,铁氧体环形器：,是多端口传输电磁波的微波器件，常用的是三端口。,永磁体作用：,为铁氧体工作提供,偏置磁场,，永磁体的极性决定了隔离器的信号时顺时针方向传输还是逆时针方向传输。,铁氧体和永磁体的区别,：,微波铁氧体可以吸收微波能量，并在磁场作用下有旋磁特性，永磁体不可以吸收微波能量，能充磁能，为铁氧体提供偏置磁场。,17,关键器件选型,-,隔离器,三、功放的关键器件,18,关键器件选型,-,隔离器,三、功放的关键器件,19,关键器件选型,-,隔离器,三、功放的关键器件,20,关键器件选型,-,隔离器,三、功放的关键器件,21,关键器件选型,-,隔离器,三、功放的关键器件,22,关键器件选型,-,隔离器,三、功放的关键器件,隔离器应用质量问题：,1,、铁氧体隔离器负载烧毁。,（,Antone,项目,）,2,、铁氧体隔离器内导体连接片烧毁。,3,、铁氧体隔离器谐波抑制不够。,(,PA-4145FWB0,中试,）,4,、铁氧体隔离器,IMD,指标不够。,5,、铁氧体隔离器平面度不够，导致接触不良，散热效果不好。,（,玻利维亚订单,）,6,、铁氧体隔离器密封不好，能量辐射。,23,关键器件选型,-,耦合器,三、功放的关键器件,24,关键器件选型,-,耦合器,三、功放的关键器件,25,关键器件选型,-3dB,电桥,三、功放的关键器件,26,关键器件选型,-,延时线,三、功放的关键器件,线性互易元件,常用的线性互易元件包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、功分器、微波电桥、定向耦合器、阻抗变换器、滤波器和,延时线,等。,贴片延时线,同轴线,腔体延时滤波器,可调延时器,27,关键器件选型,-,延时线,三、功放的关键器件,时延的定义,28,关键器件选型,-,延时线,三、功放的关键器件,时延的计算方法,29,关键器件选型,-,延时线,三、功放的关键器件,贴片延时线的材料工艺,1,、材料工艺：,PTFE,和,LTCC,。,2,、电路设计：射频带状线；,3,、多层,PCB,基片压合叠成。,XDL09-8-080,的参数：,带状线形式，抗外部干扰能力强,S,型弯曲走线，感抗小,介质材料韧性好，不容易压折,3,层信号面，,4,层地平面,30,关键器件选型,-,延时线,三、功放的关键器件,可调延时线,主要参数：,1910MHz2010MHz,时延可调节量,0.5ns,相位波动,1,以内,插损,2.3dB,以内,回波,-19dB,OIP3,为,28dBm,控制电压（,0V9V,）,工作温度,-4085,1900MHz,可调延时线,31,关键器件选型,-,延时线,三、功放的关键器件,腔体延时滤波器,FD-G8514-IS01,延时滤波器,项目名称,电气指标,频率范围（,MHz,）,890,910,910,975,带 宽（,MHz,）,20,65,回波损耗（,dB,）,20,（常温）；,17,（高低温）,插入损耗（,dB,）,0.60,（常温）；,0.70,（高低温）,0.40,（常温）；,0.45,（高低温）,带内波动（,dB,）,0.15,（常温）；,0.20,（高低温）,0.10,（常温）；,0.13,（高低温）,相位波动（,deg,）,1.5,（常温）；,2.0,（高低温）,1.0,（常温）；,1.3,（高低温）,中心频率群时延（,ns,）,/,13.9,0.2942.5MHz,功率容量（,W,）,常温、常压下，,100,（平均功率）；,800,（峰值功率）,32,关键器件选型,-,延时线,三、功放的关键器件,延时器件在前馈功放中的应用,FeedForward,环路对消原理图,33,关键器件选型,-,延时线,三、功放的关键器件,延时器件在,RF_AP,功放中的应用,34,关键器件选型,-,延时线,三、功放的关键器件,延时器件的选用,从功率大小和插损角度考虑，要求插损小而功率大的器件选用,延时滤波器,。,考虑,SMT,工艺、一致性、布局空间大小，最好选用,贴片延时线,。,考虑成本、可调可生产性，采用,同轴线绕制,。,考虑成本、可调可生产性、而且时延调节范围比较小，采用,可调延时电路,。,思考题：,同轴线和贴片延时线 延时（或相位）和频响的关系？,1,、同轴线的延时和频响是线性的，所以时延与频段无关；,2,、贴片延时线延时和频响是非线性的，不同的频段时延是不同的；但，在窄带范围内是线性。,35,关键器件选型,-,延时线,三、功放的关键器件,贴片延时线的选用,考虑耦合很关键，考虑耦合后,时延随频率增加而增加，与指标相符,插损随频率变化较大，与指标相符,不考虑耦合时,时延基本不随频率变化，与理论一致,插损随频率变化较小，与经验一致,进一步分析,1.3GHz2.5GHz,内，考虑耦合时的时延大于不考虑耦合时的时延，即,相同长度的带状线，如果绕成强耦合的形状，可以获得更大的时延；所以可以以更小的尺寸获得相同的时延量。,36,关键器件选型,-,巴伦,三、功放的关键器件,巴仑,的基本概念,37,关键器件选型,-,巴伦,三、功放的关键器件,变压器巴伦,传输线巴仑,微带线宽带巴仑,馈电平衡,磁耦合式,、,反向式,、,对称式,、,扼流式等平衡器类型。,功放常用的种类,带状线巴仑,LC,巴仑,38,关键器件选型,-,巴伦,三、功放的关键器件,39,关键器件选型,-,巴伦,三、功放的关键器件,40,关键器件选型,-,巴伦,三、功放的关键器件,平衡式输入输出的优点：,抗干扰能力强,抗电源噪声,抗地噪声能力强,具有偶数谐波抑制功能,所以平衡式输入输出电路在功放电路中应用较多：如,AD8362,检波管，,SC18,*预失真芯片系列。,微带线是单端非平衡端口，与平衡式端口相连时需要巴伦进行变换。,41,关键器件选型,-A,类,IC,微波放大管,三、功放的关键器件,晶体管：,泛指一切以半导体材料为基础的单一元件。晶体管有时多指晶体三极管，主要分为双极性晶体管（,BJT,）和场效应晶体管（,FET,）两大类,。,双极性晶体管（,BJT,）：,根据不同的掺杂方式在同一硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个,PN,结，构成晶体管。放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流，属流控器件，单电源供电。,场效应晶体管（,FET,）：,利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，属压控器件。它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极性晶体管，分为结型和绝缘栅型（,MOS,管,）两种不同的结构。我们常用的大功率,LDMOS,管属于,N,沟道的增强型,MOS,管，双电源供电。,42,关键器件选型,-LDO,电源,三、功放的关键器件,线性电源,传统线性电源,低压差线性电源（,LDO),开关类电源,Charge pump(inductor less DC-DC),DC-DC(inductor),LDO,（,Low Dropout Linear Regulator,）俗称低压差线性稳压管，是一个功率很低的微型片上系统。它通常由具有低导通电阻的,MOS,调整元件、基准电压源、误差放大器和各种保护电路等功能模块集成在同一个芯片上而成。,具有低压差、高效率、高性能、高,PSRR,、小体积、低成本等特点。,压差,静态电流,待机电流,瞬态响应,线性调整率,负载调整率,电源抑制比,精度,功耗,LDO,关键参数,43,关键器件选型,-,电阻、电感、电容,三、功放的关键器件,常用电阻分类,普通贴片电阻、精密取样电阻、功率负载、热敏电阻等。,电阻的射频特性：,电阻射频模型,理想电阻,R,；,并联电容,Ca,Cb,；,串联引线电感,Ls,；,44,关键器件选型,-,电阻、电感、电容,三、功放的关键器件,常用电感分类,实心电感、空心绕线电感、绕线电感、闭磁电感、磁珠等。,电感的射频特性：,电感射频模型：,理想电感,L,，,Z=jL,；,串联电阻,Rs,；,引线串联电感,Ls,；,并联电容,C1,，,C2,45,关键器件选型,-,电阻、电感、电容,三、功放的关键器件,常用电容分类,普通介质,MLCC,电容、钽电容、铝电解电容、高,Q,微波电容等。,电容的射频特性：,多层射频电容模型：,理想电容,C,，,Z=1/jC,；,串联电阻,Rs,；,引线串联电感,Ls,；,并联电容,Cp,；,并联电阻,Rp,。,46,关键器件选型,-,二极管、三极管、场效应管,三、功放的关键器件,二极管分类,二极管按其实现的功能主要分为：限幅二极管、整流二极管、开关器件（,PIN,管）、检波二极管、变容二极管、快恢复二极管、肖特基二极管、光敏二极管、,TVS,二极管、以及发光二极管等等。,三极管,三极管一般称为双极性晶体管，是通过制作工艺将两个,PN,结结合在一起构成。,两,PN,结作用，可使三极管成为一个具有控制电流作用的器件，可用作放大微弱信号和做无触点的开关。有,PNP,和,NPN,两种结构。主要是,Si,管和,Ge,管。,47,关键器件选型,-,二极管、三极管、场效应管,三、功放的关键器件,场效应管定义,场效应管是利用电场效应来控制半导体内载流子，使通过半导体内的电流大小随电场强度的改变而变化的由电压控制电流的放大器件。英文简写为：,MOSFET,1,、按封装分：分为塑料封装和金属封装,2,、按功率分：分为大、中、小功率,3,、按频率分,:,分为高、中、低频,4,、按结构特点分：结型（,JFET),和绝缘栅型（,IGFET),5,、按沟道分：分为,N,沟道和,P,沟道,其中绝缘栅型又可以细分为,N,沟道增强型和耗尽型，,P,沟道增强型和耗尽型。,场效应管分类,48,关键器件选型,-,二极管、三极管、场效应管,三、功放的关键器件,场效应管的应用,49,关键技术指标,四、功放关键技术指标,4.1,信号的峰值功率、平均功率和峰均比,PAR,解释：平均功率是系统输出的实际功率。在某个概率下峰值功率跟平均功率的比就称为在某个概率下的峰均比，如,PAR=9.10.1%,各种概率下的峰均比就形成了,CCDF,曲线（互补累积分布函数）。,在概率为,0.01%,处的,PAR,，一般称为,CREST,因子。,4.2,噪声,噪声是指在信号处理过程中遇到的无法确切预测的干扰信号（各类点频干扰不是算噪声）。常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信号与噪声的互调产物。,50,关键技术指标,四、功放关键技术指标,4.3,三阶交调,三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线性的一个重要指标，在这里仍以放大器为例来说明三阶交调指标。用两个相隔,f,，且电平相等的单音信号同时输入一个射频放大器，则放大器的输出频谱大致如下：,三阶交调常用,dBc,表,示，即交调产物与主,输出信号的比。,51,关键技术指标,四、功放关键技术指标,4.4,三阶截止点,任一微波单元电路，输入双音信号同时增加,1dB,，输出三阶交调产物将增加,3dB,，而主输出信号仅增加,1dB,（不考虑压缩），这样输入信号电平增加到一定值时，输出三阶交调产物与主输出信号相等，这一点称为三阶截止点，对应的输入信号电平称为输入三阶截止点，对应的输出信号电平称为输出三阶截止点。注意：三阶截止点信号电平是不可能达到的，因为在这时早已超过微波单元电路的承受能力。,52,关键技术指标,四、功放关键技术指标,4.7,回波损耗,回波损耗也是射频上用得比较多得一个名词，它和前面得反射系数、驻波比都是用来反映端口得匹配状况的。回波损耗表示端口的反射波的功率与入射波功率之比。回波损耗与反射系数的关系为：,回波损耗,20log,（,）,由公式可以计算：回波损耗为,26dB,时，对应的反射系数为,0.05,，驻波比为,1.1,。由此也可以估计一下，驻波为,2,时的回波损耗是多少（,9.5dB,），也就可以理解对于功放后级的驻波要求为何严格。,53,关键技术指标,四、功放关键技术指标,4.8,邻道泄漏（,ACLR,）,邻道泄漏指标是用来衡量发射机的带外辐射特性，定义：邻道功率与主信道功率之比，通常用,dBc,表示，如下图：,射机的领道泄漏必然回对其他小区造成干扰，为了减小这种干扰，,领道泄漏必须尽可能的小，,WCDMA,的要求是：第一邻道（偏离载频,5MHz,）的,ACLR45dBC,；第二邻道（偏离载频,10MHz,）的,ACLR 50dBC,。,54,关键技术指标,四、功放关键技术指标,4.9,频谱发射,模板,对于,WCDMA,而言，频谱发射模板用于限制偏离发射载波中心频率,2.5MHz,12.5MHz,频段内的杂散发射功率，下面以,WCDMA,协议,3,GPP TS 25.141 V3.6.0,中规定的,NodeB,发射机的频谱发射模板指标要求为例来说明。,55,关键技术指标,四、功放关键技术指标,4.10,杂散辐射,杂散辐射是指发信机在频谱发射模板规定的频率范围之外的频段内发射的、信号之外的其他信号，它包括谐波分量、寄生辐射、交调产物、发射机互调产物等。这些杂散辐射都会对其他的无线通信系统造成干扰，对该指标的规定是为了提高系统的电磁兼容性能，以便与其他系统（如,GSM,）共存，当然这也保证了系统自身的正常运行，下面以,WCDMA,协议,3,GPP TS 25.141 V3.6.0(2001-06),中规定的,NodeB,发射机的杂散辐射模板指标要求之一为例来说明：,56,关键技术指标,四、功放关键技术指标,57,优秀,PA,工程师基本素质,五、功放设计具备基本素质及技能,责任心强，该做的事一定要做好，绝不推诿；,主动积极，创造团队动力；,认真仔细，第一次就把事情做好，切忌浮躁；,善于表达，提高沟通能力；,豁达大度，无私奉献，不计较个人得失；,保持创新，开发一流产品；,加强学习，不断进取；,58,优秀,PA,工程师基本技能,五、功放设计具备基本素质及技能,1,、原器件选型,2,、设计技术,精确设计,产品质量、可靠性、稳定性、性价比、小型化、美观等，是设计出来的。,方法,&,工具,好的设计方法和工具高效节省成本、出精品。,信号完整性技术,信号传输过程中，信号不被干扰、非线性等导致的变形失真，能保证完好。,系统工程,系统设计具备全局观，项目启动全局统筹，横向各专业并行、纵向考虑到工程应用。,59,优秀,PA,工程师基本技能,五、功放设计具备基本素质及技能,3,、可靠性设计技术,降额设计（见降额设计规范）,允余设计,动态设计（容差设计）,环境防护设计,电磁兼容（,EMC,）设计,热设计,4,、调试和测试技术,5,、设计文档编写,6,、技术论文撰写,60,Thank You!,61,