关于功率放大器中功率检测在负载失配下的研究

【摘 要】在复杂的应用环境中，手机等移动终端设备在负载高驻波比的条件下，其相位的变化会严重影响功率检测的精度。通过对功率检测模型进行理论分析，并利用仿真软件ADS进行仿真和分析，验证影响功率检测精度的关键因素，为在实际系统设计中实现最优化的功率检测精度提供理论指导和实现方案。

【关键词】功率放大器 功率检测 定向耦合器

1 引言

随着通信系统高速发展，智能设备集成度越来越高，便携、智能、低耗成为持续发展追求的目标。在多个通信系统并存的今天，通信设备往往需要同时支持GSM、EDGE、WCDMA和LTE等多个通信模式，多频多模移动终端设备的设计备受青睐。然而多频多模的系统非常复杂，给功率放大器设计带来了巨大的挑战。为了实现设备的小型化，通常对耦合器与功率放大器进行一体设计。输出功率控制精度已有明确的规范，通常要求多频多模手机具有超过40dB的动态范围以及±0.5dB的功率控制精度。

目前，手机系统设计中的功率检测和控制体系结构包括直接检测法、间接检测法两大类。间接功率检测法不直接检测射频功率输出，其电路结构比较简单，可以为低成本和小尺寸的系统设计提供解决方案。但是间接功率检测法不可预知天线的负载，这大大影响了检测的精度。相反，直接功率检测法可直接检测射频端口的功率输出状态，通常需要使用定向耦合器，增加了设计的复杂性和难度。耦合器可作为独立元器件或者和功率放大器集成设计。直接功率检测法可预知天线的负载，具有良好的功率精度控制，该方法近年已被广泛地使用。

本文首先定义了一个常用的直接功率检测模型，在理想定向耦合器与非理想耦合器情况下对该模型进行理论分析；然后运用ADS对模型进行仿真，并对仿真结果进行详细的研究分析；最后，分析结果表明在负载失配的情况下，定向耦合器的方向性对功率检测精度具有很大的影响。

2 功率检测模型和理论分析

如图1所示，利用定向耦合器进行功率检测。此模型适用于目前的GSM、EDGE、WCDMA和LTE等手机系统设计中。端口1为功率放大器输出，端口2为连接天线负载，端口3为功率检测端口，端口4为隔离端。该四端口系统散射矩阵可表示为：

定向耦合器的方向性定义为：

在实际使用中，通常端口3与端口4认为接50欧姆匹配负载，故该四端口散射矩阵公式（1）可简化为：

在一定假设条件下，基于图1直接功率检测法模型，分析其采用的是理想定向耦合器和非理想定向耦合器两种情况下，负载变化对功率检测端口的误差变化的影响。

2.1 理想定向耦合器

假设定向耦合器为理想耦合器，其方向性无穷大，S32等于0，则公式（3）所表示的四端口矩阵可以简化为：

对公式（4）进行简单的数学计算，可得到功率检测端口的正向电压为：

其中，S31代表耦合度；S21代表耦合器插损；b2代表功放输出电压；b3代表检测电压。不同的负载引发不同的变量值：。假设驻波比相同，负载相位的变化会导致检测端口的电压b3也发生变化。根据公式（5），b3的最大值、最小值可分别用公式（6）和公式（7）进行计算：

2.2 非理想定向耦合器

定向耦合器非理想时，方向性不能为无限大，S32不等于0，此时图1所示的直接功率检测模型的四端口散射矩阵为公式（3）。通过对公式（3）进行数学运算可得：

当方向性D为恒定值时，不同的负载引发不同的变量值：。假设驻波比相同，负载相位的变化会导致检测端口的电压b3也发生变化。根据公式（8），b3的最大值、最小值可分别用公式（9）和公式（10）进行计算：

3 ADS建模仿真

基于图1所示模型，在电磁仿真软件ADS中构建其对应功率检测电路，如图2所示：

下面将详细分析功率检测端口电压随着不同的负载、耦合器的方向性和耦合器的插损的变化。

在GSM、WCDMA、LTE通信系统中，通常在驻波比为2.5时进行验证功率检测的精度。假设定向耦合器为理想状态，耦合度为-20dB，方向性无穷大，没有插损，此时观察端口3在全相位下的变化情况，结果如图3所示：

从图3可以观察到：在理想状态下，功率检测变化量基本无变化。驻波比为2.5、耦合度为-20dB、方向性为20dB、插损为0.2dB时的仿真结果如图4所示，功率检测变化量高达0.733dB。

根据公式（8），可得出影响功率检测变化的关键因素，这些关键因素包含方向性D、插损S21、驻波比及负载的相位变化。针对这些变化因素进行不同的设定和仿真，ADS仿真结果汇总如表1所示。从表1可以观察到：非理想定向耦合器的方向性的变化对功率检测变化量的影响非常大。

4 设计实例分析

为了验证功率检测模型理论分析的准确性，对设计实例进行测试，测试过程在负载端加载可变负载，设置在驻波比为2.5时，全相位下的功率检测结果误差。

图5为WCDMA制式下功率放大器芯片中的耦合器设计，工作频率范围为2.3―2.62GHz，在HFSS仿真中，隔离度高达35dB，但是由于加工的误差，实际情况下的射频寄生参数影响及在调试过程中输入负载端的影响，实测的隔离度为19～21dB。

在驻波比为2.5时，全相位下功率检测端口实测的误差变化情况如表2所示：

5 结论

在实际中，不同的使用环境会导致智能设备的天线端阻抗发生变化，进而严重影响功率控制的精度。为了满足严格的功率控制精度要求，应尽可能地减少检测误差。从本文的研究可以看出，天线端驻波比的变化对检测精度有很大的影响，因此在基站设计中，通常会在天线与放大器之间加有双工器、隔离器、开关等，防止天线的阻抗发生畸变。但是在手机等小型设备中，放大器后面通常只有切换开关，此时定向耦合器的方向性显得尤为重要，为满足±0.5dB的功率控制精度，一般定向耦合器的方向性要求达到17dB以上。

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