LTE微型直放站的研究与设计

李世文，李立聪

(1.河源职业技术学院，广东 河源 517000；2.深圳佳姆斯科技有限公司，广东 深圳 518110)

0 引言

在工程安装中，直放站一端连接室外天线，另外一端连接室内天线，下行信号通过室外的天线接收，然后直接送到直放站经过五级放大[1-2]之后，由室内天线把信号辐射出去。室内天线接收手机的上行信号，同样经过微型直放站的五级放大之后由室外天线辐射出去。由于系统工作频段高[3]，所以直放站在使用中很容易由于外界的因素产生自激[4-5]，从而对网络带来不良影响。同时微波电路的阻抗匹配[6-7]也是整个电路设计的关键。所以为了让直放站不产生自激[8-9]的同时进一步降低成本，设计出了一款微型直放站。

1 总体设计

微型直放站电路主要包括RF上行电路、RF下行电路和单片机智能控制电路，控制电路采用STC单片机进行控制，控制增益和衰减等，原理如图1所示。

信号经过双工器之后，馈入低噪声放大器，低噪声放大器带宽很宽，噪声抑制能力强，可以减少带外信号的干扰，增加信号的隔离度。信号经过低噪放之后，对信号进一步放大，同时还增加了调节位置用来进行信号增益和衰减控制。

图1 微型直放站原理图

本文采用的五级放大虽然可以得到较大增益，但是电路很容易不稳定，产生自激，所以在设计时，采用多级BAW滤波、LNA和单片机智能控制技术来防止电路自激。由于阻抗匹配也是整个电路的关键，如果阻抗不匹配将会导致信号发射不出去，严重时甚至损坏设备。所以本文在电路设计时采用的LNA放大管和信号放大器等在内部与50 Ω电阻进行了内部匹配，再利用单片机检测系统的底噪和隔离度，更加快速地对电路进行控制，有效防止自激。

2 射频模块指标分析

射频部分的控制电路主要有双工器、ALC、LNA、功率放大、SiGe放大和BAW滤波。需要注意的是在设计中各项指标需要符合要求，器件采用内匹配50 Ω，如果不满足阻抗匹配的要求，需要加匹配网络。具体射频电路上行电路的相关器件的指标及输出功率如图2所示，下行也是同样的原理。

完成RF射频电路的指标分配后，可以通过安捷伦的仿真软件AppCAD计算出各级的相关参数[10]。

采用AppCAD来完成RF射频电路的下行增益、噪声系数和OIP3等的计算，计算结果如图3所示。

由软件计算结果可知，系统下行增益为78.1 dB；噪声系数NF=1.64 dB；OIP3=21.93 dBm。所选器件满足最初的设计要求。

3 电路设计

具体的电路设计主要包括双工器电路、低噪声放大电路、SGA-6489放大电路、ATT 电路、AGC电路和单片机控制电路等。

3.1 双工器电路设计

双工器的作用是将发射的RF信号和接收的RF信号分开，其上下行电路如图4和图5所示。其中，PD22-73为合路/合路器，可以用来实现多频分合路，让微型直放站可以向下兼容。由于是全双工的，能同时接收和发送信息。这样就需要双工器具有良好的隔离度，同时需保证在信号传输时，过渡带外抑制满足系统稳定性要求。由于PA是和LNA通过双工器连接在一起，双工器对LNA低噪放会产生影响，所以在双工器选择时注意不要让LNA使其噪声系数恶化。首先来分析一下LNA的噪声基底，由于本设计采用的PA增益是12.5 dB，噪声系数为6 dB，本设计的双工器的隔离度为80 dB，LNA噪声系数为1.1 dB，电磁底噪水平为-121 dB，PA的输出噪声基底为：

N1=-121+12.5+6=-102.5 dBm。

通过双工器衰减后进入LNA的噪声N2=-102.5-80=-182.5 dBm，而LNA的噪声系数为3 dB，所以LNA的输入噪声基底N3=-121+3=-118 dBm，显然有N3>N2，所以采用本双工器的LNA的噪声基底不至于进一步恶化[11]。

图4 下行双工器电路

图5 上行双工器电路

另外就是隔离度的问题，由于需要对上下行信号进行放大，如果隔离度不好的话非常容易引起自激。系统引起自激的条件是：

GD+GU-(R1+R2)≥0 dB，

(1)

φD+φR2+φU+φR1=2nπ(n=0，1，2，…)。

(2)

式(1)为需要满足的幅度条件，其中R1，R2是双工器的隔离度；GD，GU分别为直放站下行和上行增益。式(2)为相位条件，其中φD，φR2，φU，φR1分别为相应的相位。本文采用的双工器收发隔离度为80 dB，上行增益约为80 dB，下行增益约为75 dB。由式(1)得：

GD+GU-(R1+R2)=80+75-160<0 dB，

理论上满足要求。

3.2 射频放大电路设计

射频放大电路的噪声系统是系统的一个重要指标，电路的整体噪声系数主要由所选择的放大器的参数决定，尤其是第一级放大电路所起的作用最大。

在电路中，射频放大电路主要包括LNA低噪放电路、功率推动放大电路和功率放大电路[12-14]。所以，第1级LNA微波放大器要求性能优异，选用RFMD公司的低噪放SGA8343，这是一款性价比很高的放大芯片，SGA8343有0～6 GHz 的带宽，在1.9 GHz最大增益为19.3 dB，其噪声系数F为1.1 dB，内部匹配50 Ω，具体电路如图6所示。其中C36为耦合电容，它隔断直流，允许RF信号通过，C37，C98滤波，电感L6，L7阻值比较大，直流信号可以通过，高频RF信号无法通过，防止RF信号馈入电源。电阻R16，R17，R18，R19，R20构成直流偏置电路，为放大器提供合适的电流，与电源供电连接的相关电容主要是高频滤波，进一步减少高频信号进入供电电源。

图6 LNA电路

推动级功放芯片选用 RFMD公司的SGA-6489芯片，它是一款高性能的SiGe HBT MMIC芯片，其工作频段在0～3.5 GHz，在1.95 GHz具有17.5 dB 增益，输出1 dB 压缩点为20.7 dBm，三阶交截点IP3的输出功率是32 dBm，隔离度为22.2 dB，噪声系数为3 dBm。SGA-6489放大电路如图7所示。

图7 SGA-6489放大电路

其中共有4个引脚，1引脚是RF输入，2，4引脚是接地，3引脚是RF输出和直流偏置，在3引脚的输出加C9，以免引入直流。L1为通直隔交流电感，C14为隔直电容，其他电容为滤波电容。偏置电阻使放大管工作在正确状态。

3.3 ATT和AGC的相关电路设计

ATT即增益调节技术，在下行时通过ATT可以对大信号进行控制，以防其进入放大单元，上行时通过其调节增益，还可以通过其调节上行噪声底来防其对基站的干扰。同时通过它阻止大信号进入上下行电路。所以ATT在电路中是不可缺少的，ATT的实现可以采用模拟或者数字的方式。

本文采用了模拟和数字2种调节技术，主要介绍模拟调节技术，模拟采用HSMP-3814。它工作时根据RF输出信号的大小和单片机发出的调节指令来控制2个二极管的偏压，改变其HSMP-3814导通阻抗，使电调衰减网络衰减量在其范围内连续可变。

具体衰减电路如图8所示，由系统馈输出的信号来控制衰减电路的电压，这样，加在HSMP-3814上的电压就连续可变，电路中R12，R46为偏置电阻，L16，L5为高频抑制电感，电容主要起滤波和隔直作用。

图8 HSMP-3814衰减电路

AGC为自动增益控制，主要通过控制系统的增益来控制RF输出信号的电平或功率[15]。具体电路如图9所示，其中UL-DEC从RF输出端反馈过来，RF输出端通过检波二极管将RF交流信号变为直流信号，然后该直流信号送入到LM393的UL-DEC端，LM393为一比较器，通过该比较器可以判断RF信号的电压是否达到门限值，如果达到输出RF电平门限值，则其跳变，三极管导通，然后信号UL-PD为高电平可以直接送到单片机端来实现功率检测。此外，从RF输出端反馈的信号送到LM393的另外一个比较器LM1A中，通过该比较器比较RF输出信号是否过大来控制LM1A的跳变，如果该LM1A跳变则通过UL-AGC-ATT端传输到衰减电路通过控制HSMP-3814进行衰减。

图9 AGC调节电路

3.4 单片机控制电路设计

单片机电路主要完成整个系统的控制，如图10所示。

图10 单片机控制电路

在系统上电时通过单片机关闭系统的下行链路，对上行链路自动进行底噪功率测试，测试过程中单片机通过控制衰减电路，每次衰减1 dB，在衰减过程中单片机不断检测系统输出的底噪功率，判断底噪功率是否满足线性变化的要求。

衰减到一定程度后，底噪功率不再按线性规律变化，单片机把此数据进行保存，获得系统最小增益。单片机对下行链路功率的测试与此类似，这样不但可以通过单片机判断系统隔离度的情况，同时可以通过单片机对上行链路的控制来保持上行链路的数据平衡。

由单片机来对系统进行控制，无需人工干预。也就是说，设备根据外界环境情况，自动进行参数调整，可以保护设备，防止自激和过大的增益。

4 系统调试和结果分析

微型直放站实物如图11所示，虽然在前期采用了一些仿真工具对系统各项指标进行了模拟仿真，但是仿真与实际电路还有差距，有时甚至比较大，后期的调试非常有必要。整个系统装配好之后，主要采用万用表和网络分析仪对系统进行相关测试。经过反复调试，最终较好地满足了设计目标。

图11 微型直放站实物

本直放站虽然上行和下行链路设计一样，但是由于各自的工作频段不一样，所以在测试时上下行的指标稍有区别，下面给出上下行链路的测试过程。在系统频谱分析过程中，使用安捷网络分析仪分析直放站前向传输通道S21参数的相关性能指标，其中下行链路的测试结果如图12所示。

图12 微型直放站下行频谱测试图

在测试中把网络分析仪的中心频率设置为起始频率1.785 GHz，终止频率设置为1.91 GHz。测试时设置4个标记点，测得第1标记的频率是1.861 GHz，增益为20.997 dB，第2标记的频率是1.805 GHz，增益为14.815 dB，第3标记的频率是1.842 GHz，增益为20.898 dB，第4标记的频率是1.88 GHz，增益为17.059 dB。在下行1 805～1 880 MHz频段内，带内波动为6.182 dB，由于信号输入的衰减，下行最终增益约为76 dB。

上行链路的测试结果如图13所示。把网络分析仪的中心频率设置为起始频率1.785 GHz，终止频率设置为1.91 GHz，设置4个标记，第1标记的频率是1.710 GHz，增益为41.517 dB，第2标记的频率是1.761 GHz，增益为43.074 dB，第3标记的频率是1.747 GHz，增益为42.467 dB，第4标记的频率是1.785 GHz，增益为33.755 dB。在下行1 710～1 785 MHz频段内，带内波动为9.319 dB，由于信号输入的衰减，上行最终增益约为83 dB。

图13 微型直放站上行频谱测试图

由上下行链路的测试结果看，上行的带内波动较大，影响带内波动的因素主要是级间配合，最开始系统带内波动相对比较大，经过调整，系统上下行带内波动控制在6 dB左右，系统噪声系数在2 dB左右，满足设计指标的要求。

5 结束语

利用LNA和单片机设计了一款LTE微型直放站，该系统主要由RF电路、ATT衰减电路、AGC控制电路和单片机控制电路构成。整个系统利用LNA和单片机结合的方式来防止系统自激，避免了直放站对通信基站的干扰。同时对该微型直放站进行了实际制作和测试。测试结果表明，该微型直放站基本满足最初预想的性能指标，可以直接在工程应用中。