因為W-CDMA訊號具有高度的線性特性，所以若直接利用電池輸出的固定供電電壓Vcc，一般都需要為固定增益的輸出功率放大器提供偏壓。由於放大增益已固定，因此改變功率放大器的輸入訊號功率，便可以調節輸出功率...
因為W-CDMA訊號具有高度的線性特性，所以若直接利用電池輸出的固定供電電壓Vcc，一般都需要為固定增益的輸出功率放大器提供偏壓。由於放大增益已固定，因此改變功率放大器的輸入訊號功率，便可以調節輸出功率。
只要在功率放大器輸入端加設一個增益控制驅動放大器，便可實現這個功能。目前，這種自動增益控制(AGC)放大器通常設於W-CDMA晶片組的射頻發送器晶片之內。本文將解析如何利用此晶片為射頻發射架構提供支援。
W-CDMA行動電話採用直接順序碼分割多重存取(DS-CDMA)技術，而且其調變的速度可高達3.84Mbps。由於向下鏈結都採用正交相移鍵控(QPSK)調變的電路設計，因此用戶設備能夠傳送高達2x3.84=7.68Mbps的資料。若採用高速資料向下鏈結封包存取(HSDPA)模式，廠商更可選用16正交振幅調變(QAM)的電路設計，確保能高達4x3.84=15.36Mbps的傳送速度，也確保射頻訊號完整無損。但無論採用哪種電路設計，射頻載波頻寬仍局限在5MHz範圍內(圖1)。
W-CDMA標準設有分頻雙工及分時雙工兩種模式。雖然世界各地鋪設的W-CDMA網路大多採用分頻雙工模式執行雙工技術，但W-CDMA標準也加設了分時雙工模式，因為部分國家並不是將頻譜對等分配予向上鏈結及向下鏈結。分時雙工技術較易控制功率，這方面比分頻雙工優勝。採用分時雙工模式時，向上及向下鏈結都以同一頻率傳送資料；因此兩種鏈結所傳送的資料都同樣衰減得很快。若分時雙工傳輸技術可以根據來自相關基地台的訊號，預測或估算所分配頻道的衰減速度，便可就衰減速度作出更準確的預測或估算。換言之，我們無需為其提供閉迴路功率控制，而且以採用分時雙工模式來說，理論上採用開迴路已十分足夠。由於大部分鋪設的W-CDMA網路只採用分頻雙工模式，而W-CDMA分頻雙工模式的向上及向下鏈結都設有快速的閉環功率控制功能，因此用戶設備透過向下鏈結連接基地台時，便需要以硬體執行的射頻功率檢波功能為其提供支援，以便符合空氣介面標準的規定。下文將會介紹多款適用於手機，或其他用戶設備閉環功率控制應用方案的子系統電路。
表1列出世界不同地區所獲得分配的頻帶，表2則列出每一用戶設備必須具備的傳輸功率。按照W-CDMA技術規格文件對不同設備的分類，手機是用戶設備的一種。其他普遍的用戶設備還有筆記型電腦的PCMCIA數據卡或無線個人數位助理。
目前市場上已出售的手機大部分都屬2級功率(power-class-2)的用戶設備，而市場上典型的W-CDMA功率放大器最高可輸出約+29dBm的射頻功率，設有高速資料向下鏈結封包存取(HSDPA)模式的用戶設備日漸普及。
簡單來說，W-CDMA分頻雙工模式的空氣介面對用戶設備的發射功率有特別的規定，例如發射功率必須能夠於每667μs以每級±1.0dB的幅度調節，而且準確度必須保持在±0.5dB的誤差範圍內。總之，射頻功率控制的電路設計應符合這個規格。
圖2的電路顯示一般手持式設備線性訊號放大器所採用的輸出功率控制系統。由於正交相移鍵控(QPSK)及16正交振幅調變(QAM)訊號具有高峰值係數及零交叉特性，因此W-CDMA訊號必須具有高度的線性特性，正因為W-CDMA訊號具有高度的線性特性，所以若直接利用電池輸出的固定供電電壓Vcc，一般都需要為固定增益的輸出功率放大器提供偏壓。由於放大增益已固定，因此改變功率放大器的輸入訊號功率，便可以調節輸出功率。只要在功率放大器輸入端加設一個增益控制驅動放大器，便可實現這個功能。目前，這種自動增益控制放大器通常設於W-CDMA晶片組的射頻發送器晶片之內。
以下便以NS的LMV228晶片為例說明如何為射頻發射架構提供支援。
圖3是W-CDMA手機採用NS的LMV228的電路圖。圖中的定向耦合器負責將功率放大器輸出的射頻訊號傳送到此晶片的輸入端。以50Ω的系統來說，此晶片最多可以接收+15dBm的輸入射頻功率。輸入功率的高低可以利用晶片內建的靜電(ESD)保護二極體加以設定。定向耦合器與此晶片之間則設有可阻隔直流電的電容器，以免高直流電電壓被輸入終端電阻50Ω的耦合器。如果沒有這個可以阻隔直流電的電容器，直流電便會流入這個50Ω電阻，耗費電源。
目前市場上大部分W-CDMA功率放大器可以輸出最高約達+29dBm的線性射頻功率。若採用20dB的耦合器，傳送往此晶片的輸入射頻功率相等於29-20=9dBm。此晶片接收即時輸入的射頻功率視用戶設備採用什麼傳送通道而定，但決定採用什麼通道之前，必須充分考量調變系統的最高承受能力。
以圖3的電路圖為例來說，定向耦合器的優點是體積比隔離器小，因此佔用印刷電路板較少的板面空間，但定向耦合器的實際大小取決於作業頻率、基體電介質常數，以及所要求的耦合係數和隔離程度。目前定向耦合器採用以低溫共燒陶瓷(LTCC)基體製成的0603封裝，由於這種基體較為小巧，因此在W-CDMA頻帶範圍內其耦合係數最高只能達到20dB。若要將耦合係數提高至20dB以上，便必須採用面積大很多的基體或較高階的電介質物料，或採用其他技術。但至今市場上仍未有這樣的定向耦合器出現。然而採用0603封裝、W-CDMA頻帶的耦合係數可達20dB的定向耦合器在市場上並不難找，目前市場上至少有兩家以上廠商供應這類定向耦合器。
圖4顯示定向耦合器的典型效能。由於隔離性比耦合係數高10dB，因此天線的反射功率可以進一步減少，甚至比發射功率少10dB。由於這個指向性的特性，此晶片可以偵測的功率大部分來自發射功率放大器的輸出，而天線失配所產生的反射功率在傳送到此晶片的輸入端之前會大幅衰減。
按照圖5A及圖5B所示，這款晶片可以偵測由+15dBm至-25dBm的射頻功率，實際檢波範圍高達40dB以上，而頻率反應範圍則介於60MHz與2GHz之間，視選用的檢波範圍而定。此晶片可提供準確的溫度補償及供電電壓變動補償，輸出電壓與射頻輸入訊號電位(dBm)之間具有線性函數關係。這個特性一般稱為「線性增益」(Linear-in-dB)。此晶片可以利用介於2.7伏特與5.5伏特之間的電源供應作業。
LMV228晶片的輸出端設有內建濾波器，可以偵測擴散頻譜訊號的低漣波平均功率。此外，只要多加一個電容器，可以進一步加強濾波效能。這個外接的電容器(COUT)可與LMV228晶片至接地的一段線路連接一起。由於LMV228晶片的輸出ROUT=19.8KΩ，因此另加的濾波功能只適用至以下截止頻率阻抗fC=1/2πCOUTROUT。
正如圖5A及5B所顯示，此晶片的線性增益檢波範圍達30dB，這個特性有助精簡校正程序。功率放大器的校正程序是整個W-CDMA用戶設備生產流程的重要環節。例如，有關「用戶設備輸出功率與控制代碼/訊號之間的函數關係」的資料便利用昂貴的自動測試設備收集，測試用的訊號包括小訊號以至強的訊號，有關資料都儲存在用戶設備的記憶體內，以供手機作業時使用。一旦基地台要求提供某一數量的輸出功率，用戶設備的數位訊號處理器或微控制器便會立即進入記憶體尋找相關的控制代碼，確保功率放大器可以提供所要求的輸出功率。
透過測試為每一用戶設備蒐集有關「控制代碼與輸出功率之間的函數關係」的資料，需要花費不少時間及人力物力，因此利用統計數字配合此晶片的線性增益特性作出估算可以減少測試點及節省時間。筆者認為若在-15dBm至+15dBm的檢波範圍內，Pin與Vout之間具有線性關係，便可利用以下的線性公式表達這個線性關係：。斜率及截取點可在生產過程中利用兩點測試尋找下來。若測試點分別是(Pin1，Vout1)及(Pin2，Vout2)，我們只要進行一些基本的代數運算便可計算出及的數值。只要及一經確定，我們便可利用這條公式估算輸出功率。
圖6是雙頻W-CDMA用戶設備採用的電路方塊圖。一般來說，印刷電路板上每一頻帶的發射路徑都相距較遠，因為每一發射頻帶都有自己的定向耦合器。我們可以將3個17Ω的電阻整合一起，組成電阻射頻功率組合電路，以便接收行動電話頻帶或W-CDMA頻帶的輸出訊號。採用17Ω電阻的原因是，這樣可以確保在射頻範圍內所有輸入輸出埠的50Ω為阻抗匹配。功率分壓電阻使得每一條訊號路徑都有6dB的內在損耗。
在實際應用時，只有一條路徑是開啟的。以這個架構為例來說，若定向耦合器的耦合係數為20dB，此晶片所實際接收得到的輸入訊號電位只有Pout-20-6dBm，因為組合電路會出現損耗，而訊號路徑上的這些損耗也必須計算在內。這個架構也必須採用兩個阻隔直流電電容器，以免必要的直流電流入終端電阻50的耦合器。
圖7是射頻功率組合電路的另一電路圖。圖中的每一訊號路徑可以各有不同的衰減電位，而且每一衰減電位都可各自獨立設定。由於這個電路具有可以自由設定衰減電位的彈性，因此可以採用非20dB耦合係數的定向耦合器。
行動電話頻帶的額外衰減值可以利用以下的EQ-1公式列出。
(詳細請見新通訊50期4月號第109頁)
由於定向耦合器規定必須以50Ω阻抗匹配，因此我們可以利用以下的EQ-2公式列出其關係。
(詳細請見新通訊50期4月號第109頁)
此外，ZLB也應以50Ω及ZHB並聯，由此我們可以得出EQ-3這一公式。
(詳細請見新通訊50期4月號第109頁)
W-CDMA頻帶的額外衰減值可以利用以下的EQ-4公式列出。
(詳細請見新通訊50期4月號第109頁)
由於定向耦合器規定必須以50Ω阻抗匹配，因此我們可以利用以下的EQ-5公式列出其關係。
(詳細請見新通訊50期4月號第109頁)
此外，ZHB也應以50Ω及ZLB並聯，由此我們可以得出EQ-6這一公式。
(詳細請見新通訊50期4月號第109頁)
我們若成功解算以上的6條公式，便可分別解出R1、R2、R3、R4、ZLB及ZHB等變數。
LMV228對數放大器射頻功率檢波器是向下鏈結的分頻雙工模式W-CDMA功率控制系統的關鍵元件，可以偵測高達+15dBm的射頻功率，而且符合W-CDMA空氣介面標準有關功率控制的規定。