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1、直放站设计的原理与方法续2009-04-16 19:32:11 3 直放站的噪声系数设计从原理上来讲，直放站的噪声系数设计并不困难。只需要尽可能减小低噪放之前的链路损耗，并且保证低噪放拥有较小的噪声系数，那么整机的噪声系数 （按目前的标准是5dB）实现是非常容易的。但实际上考虑直放站应用于最小增益的时候，要保证这个指标是有一定的难度的。在讨论直放站噪声系数的设计之前，先来看看直放站噪声系数对基站有什么样的影响。在分析增益设计的时候提到了直放站增益对基站热噪声电平的影响。实际上，直放站的增益和噪声系数以及直放站到基站的路径损耗决定了直放站噪声对基站的影响。设直放站的噪声到达基站接收机输入端的等效
2、热噪声电平为Nin ，则：Nin=KTB+NFREP+GREP-LNodeB-REP （1）其中， KTB 为 WCDMA 系统的热噪声，3.84MHz 时为 -108dBm ；NFREP 为直放站的噪声系数； GREP 为直放站的增益；LNodeB-REP 为直放站到基站的综合路径损耗。基站接收机等效热噪声电平为NNodeB ，则： NNodeB=KTB+NFNodeB。基站接收机等效热噪声电平升高ROT （RaiseOverThermal），那么：一个简单的例子，就是上面增益设计分析时提到的，很容易在这个公式中得到验证。此时基站热噪声电平提高3dB ，在没有其他干扰的条件下， 基站接收机灵
3、敏度下降3dB 。解决的办法是尽量降低直放站的噪声系数，合理调整直放站的增益，控制直放站的发射功率。现在再来看WCDMA 直放站噪声系数的指标，其中一项是最小增益时仍需满足指标要求。很多人可能并不理解。因为从公式（1）可以看出，当直放站增益减小时，只要其噪声系数增加值不超过增益的减小值，那么直放站的噪声到达基站接收机输入端的等效热噪声电平Nin 就不会增加。这样考虑实际上是忽略了工程应用的情况。因为在实际的应用中，需要人为调小直放站增益的情况往往表明了工程应用现场直放站的下行输入信号较强， 也即是说直放站到基站的路径损耗较小。考虑了这些因素，就不难理解噪声系数的指标为什么在最小增益时仍需满足要
4、求。基于特定的指标，直放站噪声系数的设计就非常明确了。指导思想就是：第一要尽量选用带内插损小的双工器；第二要尽量设计噪声系数小的低噪放； 第三要控制低噪放的增益不要太低。实际上， 在直放站噪声系数设计中把双工器的插损放在第一重要的位置是很容易理解的。这里有两方面的原因。在这里， 双工器的插损可以从概念上扩大一点，引申为低噪放之前的所有链路插损的总和。包括了定向耦合器（或驻波比检测模块） 的插损， 双工器的插损， 以及从直放站输入端口到低噪放输入端口的所有电缆的损耗。这些链路损耗都直接计算到了直放站的噪声系数当中。其重要性是不言而喻的。其次，从低噪放的角度来看，噪声系数指标要改善0.1dB 也是
5、相当困难的。因此，尽量减小低噪放之前各连接电缆的损耗， 就显得非常重要了。所以， 对直放站各模块之间的连接电缆和连接器的类型选择以及它们在整机中的装配方式的考虑，也应作为直放站设计的一项重要内容来做。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 上面没有提到选频模块和线性功放的噪声系数，这并不表明它们的噪声系数不重要。只是相对双工器和低噪放而言，它们的影响较小而已。选频模块的噪声系数一般在2530dB ，增益为 -5dB 。
6、如果功放的噪声系数也在这个量级，那么选频模块和功放构成的级联系统的噪声系数将在30dB 以上。此时如果低噪放的增益低于40dB ，则选频模块和功放对整机噪声系数的影响将会超过1dB 。而且整机的噪声系数对低噪放的增益变化变得非常敏感。因此，选频模块和功放的噪声系数应尽可能控制在25dB 以内，以便满足直放站整机噪声系数设计的要求。4 直放站杂散指标的设计对于 WCDMA 直放站来说， 杂散指标主要有两项。一项是频谱发射模板，一项是杂散辐射。影响这两项指标的因素并不相同。频谱发射模板主要由线性功放的线性度（ACPR ）决定。通常在设计的时候都把这一指标转换为对应线性功放的 ACPR 指标。因此，
7、只要设计出满足ACPR 指标要求的线性功放，也就基本满足了直放站频谱发射模板的要求。当然，这里有一个条件，那就是低噪放和选频模块的线性度（ACPR ）相对于功放有一定的余量。 杂散辐射是一项由很多因素共同决定的指标。比如说谐波辐射、 寄生辐射、互调产物、本振泄漏以及外来干扰等，但不包含带外杂散部分（频谱发射模板）。这里着重提一下对本振设计的考虑。本振一般由锁相环构成的频率综合器和一些辅助的放大器组成。锁相环的鉴相杂谱和分频杂谱（一般小数分频锁相环都会产生）经过混频器（主要是上变频器）泄漏到射频通路，经功放放大后产生杂散辐射。如果这些杂谱在双工器的带外，则基本上可以被双工器抑制；但如果杂谱恰好在
8、双工器带内，那么就必须在设计本振的时候设法把这些杂谱给消除掉。 还有一种情况是本振信号（无源混频器所需的本振信号功率都较大）本身的泄漏，当双工器抑制度不够的时候，也可能产生较大的杂谱。这时候就需要在射频通路上加适当的滤波器加以滤除。至于谐波辐射、互调产物等，在设计的时候不需要过多地考虑，因为直放站作为线性放大器，产生高次谐波和高阶互调产物的可能性是很小的。来看一下直放站的杂散会产生哪些影响。首先，直放站的邻道功率泄漏会给同一小区相邻信道造成同频干扰，可能导致相邻信道的接收信噪比下降。 这是为什么要限制频谱发射模板的原因。此外， 落在其他系统所用频带内的杂散辐射信号，可能会给相应的系统造成一定的
9、干扰。举个简单的例子，假设WCDMA 直放站在GSM 下行频段的杂散在直放站天线正面的输出强度达到 -20dBm 量级。根据自由空间无线信号传播特性可知，该频率的信号在相距10 米时衰减约为50dB，相距 100 米时衰减约为70dB 。如果在相距10 米的地方有 GSM 的接收系统，其自身信号强度低于-61dBm ，则由于WCDMA 直放站在该频段的杂散强度达到 -70dBm 而使得 GSM 系统的载波干扰比达不到9dB 的要求，从而造成GSM 系统无法接通的情况。这就是为什么对WCDMA 直放站的杂散辐射在特殊频段有更严格要求的原因。另外，杂散辐射对直放站自身也有一定的影响。比如说， 直放
10、站上行的输出杂散会通过双工器泄漏到直放站的下行输入端，如果直放站的双工器隔离度不够，泄漏的杂散可能会导致下行输入信号的信噪比降低而造成系统性能下降。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 所以，对直放站来说，杂散也是一项很重要的指标。5 直放站的输入互调指标设计直放站的输入互调指标是一项衡量直放站自身抗干扰能力的指标。从它的测试规范来看，主要考量的是选频模块中频声表滤波器之前的电路的互调性能（对单载波直放站，主要是三阶
11、互调；对多载波直放站，五阶互调的影响也可能会比较大）。因为两个带外干扰信号在进入中频声表滤波器的时候会被中频声表滤波器抑制掉，从而不会在后面的电路中再产生很高的互调干扰。而两个干扰信号在进入中频声表之前产生的互调信号则恰好在有用信道带内，经功放放大后产生很大的带内干扰。那么，对WCDMA 直放站来说，输入互调指标的设计压力在哪里？首先来看测试规范：两个 -40dBm 的带外干扰信号（单频）在带内产生的干扰使直放站带内的输出功率增加（相比于加干扰信号之前）不超过10dB 。对一个85dB 增益的 WCDMA 直放站，不加任何信号时带内输出功率大概在-25dBm ，这就意味着加干扰信号所造成的带内
12、干扰不能超过-15dBm 。先来看两个 -40dBm 的干扰信号在低噪放输出端会产生多大的三阶互调产物。低噪放增益47dB ，双工器和电缆插损大概23dB ，所以干扰信号在低噪放输出端大概是+4dBm 左右，低噪放的OIP3 一般做到36dBm 以上，那么低噪放输出端产生的三阶互调分量大概在-64dBc ，即 -60dBm 左右。低噪放后面的链路增益约为40dB ，那么由低噪放产生的三阶互调信号在直放站输出端约为-20dBm ，满足规范的要求。 再来看混频器的影响。混频器的IIP3 大约为28dBm ，从低噪放输出的干扰信号到混频器的输入端时约为 0dBm （选频模块输入端有滤波器和硬件温补器
13、件，总的插损有4dB 左右），那么由混频器产生的三阶互调分量为-56dBc ，等效到混频器输入端即为 -56dBm ，混频器输入端之后的链路增益约有44dB ，那么由混频器产生的三阶互调信号在直放站的输出端约为-12dBm ，不满足规范的要求。上述的分析都是基于理想的情况，实际的情况会更差一些。因此，在实际设计中，要尽可能选用线性度高的混频器。另外，如果双工器的窗口特性做得好一些（即过渡带陡一些），对带外干扰信号的抑制作用会更加明显，从而可以减轻后面电路的线性压力。直放站设计的原理与方法2009-04-16 19:30:29 直放站设计的原理与方法（原公司大牛写的）直放站作为公司在网络优化方面
14、的核心产品之一，其设计的重要性不言而喻。直放站的设计包括很多方面，从核心的射频性能和监控参数，到产品的可靠性设计（EMC 设计、降额设计、热设计、软件可靠性和机械可靠性、环境可靠性等），再到产品的成本分析设计，无论哪一方面都将会影响到产品的市场竞争力。在此， 仅从其中最关键的一些因素上来分析直放站设计的原理与方法，以及在设计中需要特别注意的一些地方。从在通信网络中所起的作用来看，直放站的主要功能就是放大从基站（下行）和移动台（上行）接收过来的有用信号，并将放大后的信号经天线 （或其它耦合方式）发送出去。通过这一方式提高系统基站的覆盖能力。在这一放大名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -
15、- - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 过程中，要尽可能抑制随有用信号一起接收进来的干扰信号， 同时也要避免产生新的干扰。也就是说，直放站的放大必须是有带宽限制的，同时还要保证直放站的放大是线性的。这是直放站很重要的两个特点。 带宽的限制主要由双工器和中频滤波器来实现，而线性的要求则对功率放大器的设计实现提出了很高的要求。另外，在实际的工程运用中，还要保证直放站的引入不会给通信系统叠加更多的噪声。这就产生了直放站另一类很重要的模块 低噪声放大器。至此，可以看出直放
16、站的基本模型中已经包含了四类核心模块：双工器（限制带宽）、低噪声放大器（限制噪声）、选频（带）模块（中频滤波）和线性功率放大器（线性放大）。了解了直放站的基本组成，再来看影响和决定直放站性能的那些基本参量，就比较容易理解接受了。以WCDMA 直放站为例，衡量直放站的无线指标主要有：标称最大输出功率；自动电平控制（ALC ）；增益（最大增益、增益调节范围、增益调节步长及误差）；带内波动；噪声系数；频率误差及频率步进；传输时延；输入/输出驻波比；带外增益；杂散（频谱发射模板、杂散辐射）；调制精度（误差矢量幅度EVM 、峰值码域误差 PCDE ）；输入互调； 输出互调等。下面先简单分析一下这些指标主
17、要都跟哪些模块的哪些参数有关，然后再详细说明各个指标的设计方法以及它们之间的一些相互制衡的关系。标称最大输出功率主要由线性功放的最大输出功率和双工器的插损决定，自动电平控制通常取决于功放的功率控制环路（低噪放也设计成有ALC 功能， 但一般不应作为整机的ALC 来使用）。增益的设计包含很多方面，直放站射频通路上的所有组成单元都将影响到整体的增益。影响增益带内波动的因素有很多，除了射频通路上各模块的带内波动外，各模块端口之间的匹配以及模块的E MC 性能也会有一定的影响。从级联系统的噪声系数计算公式来看，直放站的噪声系数在一定程度上只取决于低噪放模块之前的链路损耗和低噪放的噪声系数； 但当低噪放
18、的增益较低时，选频器和功放的噪声系数也会有很大的影响。频率误差主要由本振的参考晶振的频率准确度和稳定度决定， 而频率步进则与本振锁相环的鉴相频率有关。传输时延反映了中频声表滤波器的时延特性。输入 /输出驻波比跟双工器的输入/输出驻波比、低噪放的输入驻波比和线性功放的输出驻波比有关。带外增益实际上是一个综合的指标，它主要由带内增益和选频器的带外抑制决定。影响杂散指标的因素很多，频谱发射模板主要取决于线性功放的ACPR 值，而杂散辐射则跟很多参数有关，比如说本振的泄漏、寄生杂谱、互调产物、 谐波辐射等。 影响调制精度指标的因素主要有频率误差和相位噪声，系统的自激 （即使很微小）也会产生很大的影响。
19、输入互调指标对于选频直放站来说，基本上由中频声表滤波器之前的电路的三阶互调特性决定，而后面电路的线性影响基本可以忽略；但对选带直放站来说，输入互调指标由整个链路所有模块的三阶互调（也可能是五阶互调）特性共同决定。输出互调主要跟功放的输出端特性有关，在功放输出端接有环行器或隔离器的情况下，输出互调指标很容易实现。从上面简单的分析可以看到，有些指标相互之间是有关联的，甚至在一定程度上还会相互制约。比如说，最大增益会影响带外增益指标，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，
20、共 10 页 - - - - - - - - - 频率误差会影响调制精度，噪声系数也会影响到杂散（噪声）。下面会对其中几个重要的指标进行详细的分析以及相应设计方法的探讨。1 直放站的标称输出功率设计直放站的设计首先要考虑运营商的需求。作为非消费类产品，直放站有很明确的目标客户，因此其设计在很大程度上可以算是量身定做。当然，这里指的只是产品的性能规格，而在实现方式上仍然可以很灵活。对于 WCDMA 直放站来说， 其下行标称输出功率一般由运营商的需求指定，通常可分为微功率、小功率、中功率和大功率等几个档次。从目前主要的一些设备制造商的产品来看，功率等级主要包含有50mW 、200mW 、2W、5W
21、 、10W 和 20W 等几个级别。相应地需要设计不同功率等级的下行线性功放。 因此，直放站下行标称输出功率的设计实际上就是相应输出功率等级的线性功放的设计。而 WCDMA 直放站上行标称输出功率的设计则主要由WCDMA 的话务量决定。下面简单分析一下WCDMA 直放站上行输出功率设计的原则。设 WCDMA 基站 NodeB 接收机 BLER 为 103 时 Eb/No 要求为 5dB ，所以当基站下只有一个语音用户时，用户到基站的功率电平值PUE-NodeB 为（为计算方便，未考虑其它干扰）：PUE-NodeB = KTB+NFNodeBEb/No- GP -1085+5-25=-123dB
22、m 其中：KTB 为 WCDMA 系统的热噪声，3.84MHz 时为 -108dBm ；NFNodeB为 NodeB 的噪声系数，假定为5dB ；GP 为 WCDMA 系统的扩频增益，当系统使用 12.2kbps速率进行语音通信时，GP=Log （3.84M/12.2K ）=25dB 。即当基站只有一个语音用户时终端UE 的上行电平只要到达基站有-123dBm 就可以满足通信要求。如果直放站到基站的综合路径损耗为95dB ，那么此时直放站的上行输出功率为 -123+95=-28dBm 。现在假设一种极端的情况来看看 WCDMA 直放站的上行输出功率，条件如下：基站导频功率PCPICH （导频功
23、率占总功率按10计）： 33dBm 直放站下行输入导频功率PCPICH REP ： 80dBm 基站到直放站的综合路径损耗LNodeB-REP ：113dB 直放站上 /下行增益GREP-UP/GREP-DN：90dB/90dB 无话务时直放站上行输出功率PREP-UP （此时相当于直放站输出自有上行热噪声NREP-UP ）：PREP-UP =NREP-UP =KTB+NFREP-UPGREP-UP 108590 13dBm 假设此时基站由于话务量较高且受到较大的外干扰，UE 到达基站的功率电平PUE-NodeB 要为-110dBm才能满足Eb/No 为 5 的要求，那么此时每用户从直放站上行
24、输出电平PUE-REP要为： PUE-REP PUE-NodeB +LNodeB-REP = -110+113=3dBm 。假定施主基站是一个三载波基站，直放站覆盖范围内最多时有30 个用户进行通信，那么此时直放站上行总输出功率电平PREP-UP/ 30 为：PREP-UP/ 30 NREP-UP + PUE-REP/ 3010Log(1/101.3+30*100.3)18dBm 而要使直放站达到18dBm 的上行输出功率需同时满足以下三个条件：1、直放站与基站的路径损耗特别大；2、话务量特别大或受到较大的干扰； 3、直放站覆盖范围内话务量也特别大。要同时达到这三个条件的概率非常小，因此，WC
25、DMA 直放站的上行额定输出功率做到20dBm 就足够任意类型WCDMA 直放站的上行输出要求了。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 2 直放站的增益设计直放站的增益通常设计成跟直放站到基站的路径损耗相当的等级。当直放站覆盖的区域下行输入功率特别小（即直放站到基站的路径损耗特别大）的时候，直放站的增益不能变得很大，直放站的覆盖范围将会缩小。而当直放站覆盖的区域下行输入功率较大时，直放站应该可以适当控制其增益，即直放
26、站要有增益调节的功能。从整机的角度来看，直放站的增益设计也有诸多的限制。直放站的增益如果设计得过高，除了可能会引起链路的不稳定之外，对其它很多指标都会产生影响。首先，当直放站到基站的路径损耗一定时，直放站的上行增益越高，直放站的噪声对基站噪声的影响就越大。一个明显的例子是，当直放站的上行增益跟直放站到基站的路径损耗相等，直放站的噪声系数跟基站接收机的噪声系数也相等时，直放站的热噪声叠加到基站输入端将导致基站的热噪声被抬高3dB 。如果直放站的增益高于直放站到基站的路径损耗，那么直放站热噪声的影响会更大。此外，直放站增益过高会使直放站的输出底噪很高，而导致直放站的杂散高于指标要求。另外， 在上面
27、也提到了带外增益指标是跟带内增益有直接联系的，当带外抑制一定时，带内增益过高也会导致带外增益超出指标的要求。因此， 直放站的增益设计并不是越高越好。当然，直放站的增益如果太低，那么实际运用中很可能直放站不能满功率输出，这会导致直放站的覆盖能力降低。所以， 直放站的增益设计必须结合多种因素综合考虑。直放站的增益设计除了从整机角度考虑以外，还有很重要的一点是增益分配的问题，即如何把整机的增益分配到各个模块上面。上面提到直放站的射频通路上有四类核心模块，直放站的增益主要分配到这几个模块上。对双工器来说，其插损越小越好。因为无论其作为链路输入还是作为链路输出，其插损小都会给直放站的设计带来很大的便利。
28、作为链路输入， 小的插损会带来更好的整机噪声；而作为链路输出，小的插损会减轻线性功放输出功率的压力。选频（带） 模块通常会做成零增益或负增益，这对选频（带）模块来说并不难实现，而且对整机来说也是一个较好的方案。增益分配的关键在低噪放和功放上面。从直放站整机噪声的角度来考虑，低噪放的增益越高越有利；而从混频器的线性角度来考虑， 低噪放的增益不能设计得太高。因为对于同样的整机输入功率，低噪放的增益越高，低噪放的输出功率就越大，也就意味着选频模块的输入功率越大，位于选频模块输入端的混频器的线性压力就越大。从目前WCDMA 直放站的设计来看，选频模块的下变频器的线性是整机输入互调指标的瓶颈。 因此，低
29、噪放的增益设计必须根据整机噪声指标和输入互调指标来综合考虑，选择合理的分配方案。基于实际的工程应用， 直放站的增益要有可调节的功能。这个可调节实际上包含了两个方面。一个是自动调节，这就是自动电平控制。在直放站的输入功率增大时，为了控制其输出功率不致超出范围，则要相应地减小直放站的增益。功放的自动电平控制正是基于这样一种考虑。当直放站的输入功率在大多数情况下都高于直放站设计之初的预测值时（即直放站覆盖区基站的下行信号较大），则需要人为地调小直放站的增益。这就是直放站增益的数控调节功能。一般直放站的增益数控调节范围都有20dB 以上，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -
30、 - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 通常用 5bit（1dB 步进）的数控衰减器来实现。在实际的直放站中，考虑其他一些因素（比如说噪声和线性等），增益调节需要用多级数控衰减器来实现。直放站设计的原理与方法再续2009-04-16 21:35:45 6 直放站其他无线指标的设计6.1 自动电平控制（ALC）在增益设计的时候也提到了这一指标。在这里说一下它的原理，同时说明一下设计的时候需要注意的地方。这是一个闭环系统。当输出功率增加使输出电平检测电路的输出电压高于比较电路的基准电压
31、时，比较电路输出控制电压，调整（减小）可控增益放大器的增益，从而使输出功率稳定在额定值。最大控制深度由可控增益放大器的增益控制范围决定。需要注意的一个地方是，低通滤波是用来消除检测电路输出电压的交流成分，以便控制环路不产生控制杂谱，提高控制的稳定性。另外，为了保证在高低温范围内功率控制点的稳定性 （通常要求全温度范围内控制点变化不超过1dB ），就必须保证输出电平检测电路良好的温度特性。如果功率检测器件的温度特性较差，则需要进行检测输出电压的温度补偿。6.2 带内波动对 WCDMA 直放站来说，带内波动可分为两个方面，一个是单信道内（3.84MHz ）的波动，还有一个就是通带内的增益波动。3.
32、84MHz 的信道内波动主要由中频声表滤波器的带内波动决定。但当信道位于通带的边上时，信道内波动也会受到射频滤波器和双工器较大的影响。因此，若对射频滤波器的窗口特性要求不高，可适当放宽射频滤波器的带宽，以便保证边带信道的带内波动。通带内的增益波动由双工器、低噪放、选频模块和线性功放的增益通带内波动共同影响决定。这是设定低噪放等模块的增益带内波动指标的参考依据。以上是基于本人在直放站设计和实验中积累的一些经验所写，仅对于直放站射频方面的综合考虑。基本上不涉及到模块内部设计的问题，但我想应该对模块设计人员也有一定的帮助。因为模块设计的参考原则就是作为最终产品的直放站。当然，直放站的设计远不止这些，
33、本文开头提到的监控参数、可靠性设计、 成本分析设计等都是非常重要的内容。由于本人在这些方面的实际经验较少，所以并不能给大家提供更多好的参考。以下的内容仅供大家共同探讨之用。7 直放站的可靠性设计可靠性对电子通信类产品来说非常重要，常用的可靠性设计方法有如下14 种，在产品开发过程中，这些方面都应考虑到，包括借助相应的仿真工具进行分析，才能够保证设计的产品的可靠性。14 种设计方法如下：可靠性预计；失效模式影响分析；可靠性指标论证、分配与冗余设计；电应力防护设计；ESD 防护设计；容差分析；降额设计；升额设计；热分析与设计；信号完整性分析；EMC 设计；安全设计；环境适应性名师资料总结 - -
34、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 设计；寿命与可维护性设计。国际领先的大公司，对这些设计方法均有专业团队来保障。因此，我们在做直放站设计的时候，也应尽可能多从这些方面加以考虑，以提高我们产品的稳定性和可靠性。由于在可靠性设计方面的学识和经验所限，本文仅从本人接触较多的几个方面来谈谈一些粗浅的理解和建议。7.1 降额设计降额的基本定义是：元器件使用中承受的应力低于其额定值，以达到延缓其参数退化，提供使用可靠性的目的。通常用应力比和环境温
35、度（或结温）来表示。这里的应力主要是指温度、浪涌、ESD 、噪声等影响元器件失效的电、热负载，应力比即为元器件的工作应力与额定应力之比，又称作降额因子。由于器件的强度（额定应力）是多种多样的，不同批次之间、不同制造商之间都有差别，有其相应的统计平均值和方差；而环境应力作用同样是随机变化的，在一定程度上也可以用统计分布来描述（有相应的统计平均值和方差）。为了保证器件正常运行，必须保证器件强度大于环境应力。但是器件强度和环境应力都是两个随机变量，总是存在一个应力大于强度的小区域。因此，我们在设计时应尽量减小这个区域，这就是降额设计。降额设计的方法主要有4 个：增加平均强度；减小平均应力；减小应力的
36、方差；减小强度的方差。通常我们在设计中最常用到的是减小平均环境应力这种方法。对一个已经选好供应商的器件，其工艺水平决定了器件的平均强度和方差（不同的批次会有一定的方差）。因此，减小平均应力是最为有效的办法。在我们直放站的设计中，最常使用到的一种降额就是器件温度（结温）的降额。器件结温的降额指的是使器件在正常工作时其结温低于额定最大值。根据工作最大结温与额定最大结温的差值不同可定义不同的降额等级。比如说，一个器件的额定最大结温为200，我们设计使其最大可能工作结温为160，则其降额等级为0.8 。那么，如何保证设计预期的降额等级呢？首先来看器件的工作结温与哪些因素有关。器件的结温（ TJ）等于环
37、境温度（TA）加器件温升，而器件温升由器件的功耗（W）和热阻系数qJC 和 qCA 决定，即TJ=TA+W*(qJC+qCA)。从此公式可以看到，可以有3 种方式来实现器件的降额设计：降低环境温度，减小功耗和热阻系数。但在一般的设计中，环境温度都是我们预先设定的目标，因此可行的办法就是减小器件功耗和热阻系数。对一个确定封装的器件，其结到壳的热阻qJC 是确定的，而壳到环境的热阻qCA 受器件的焊接（铺铜面积）、装配（是否使用热沉）和空气流动（是否加制冷条件）等因素综合影响。因此，在做器件的结温降额设计时，除了减小器件功耗外，应从这几个方面加以考虑。至于要使用多大的降额等级，则跟设备的要求有关，
38、同时也跟器件的类型有关。对于大功率功放器件来说，其功率的降额除了跟性能要求有关，也跟结温的降额有很大的关系。另一个跟降额有关的是浪涌，在我们的设计中也经常会碰到。浪涌指的是瞬间的电压或电流冲击，在我们的开关电路和供电电路中都可能会受到浪涌的冲击。因此， 我们要尽可能抑制浪涌的产生，同时也要提高相应电路中器件的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 耐压和耐流能力。比较常见的是电源退耦电路中的钽电容，在选用的时候应考虑到
39、其可能受到的浪涌冲击的大小，选择合适的型号。7.2 热分析与设计对直放站整机来说，热分析与设计的主要目的和目标就是：当我们设计的直放站整机功耗已经确定的情况下，如何设计机箱的结构（包括模块在整机中的装配方案）以获得最好的散热性能，从而尽可能降低整机的温升。这对模块来说也是有相当的意义。因为整机温升越高，模块的环境温度就越高，从上面的分析我们可以知道，这对器件的结温降额设计是非常不利的。因此，对结构工程师来说，如何做好机箱的热分析仿真和实验，设计合理的机箱结构，对直放站整机的可靠性设计有非常大的意义。从模块的角度来看，热分析与设计也绝不是可有可无的。实际上，模块也可以看作是微缩的整机，但相比于整
40、机而言，其热设计的重点略有不同。 从研发和使用的角度来考虑，模块的结构不可能过于复杂，因此在做结构设计的时候，热设计在一定程度上是受到限制的。所以，模块的热设计主要考虑的是如何合理安排热源在模块中的位置。热源过于集中或者发热大的器件过于靠边，对模块的散热都是不利的。所以，对模块设计人员来说，在进行电路布局设计时，除了以保证射频性能为第一原则外，也要适当地考虑电路布局的散热效果，以确保模块工作的高效稳定。7.3 失效模式影响分析这应该是可靠性设计中非常重要非常有效的一种方法，但也是我们目前的产品设计中最缺乏的一种手段。所谓失效分析，就是通过对开发、测试、小批量试产，量产阶段、用户现场的器件失效分
41、析，找到失效的根本原因和改进措施，及时纠正和预防失效的发生。我们在研发生产过程中经常会碰到某个器件坏掉而不知道什么原因的情况。有时候虽然可以凭借经验判断是什么原因引起的，但仍然会因为不了解器件的失效机理而无法做出更好的预防措施。失效模式影响分析正是针对这些情况的一种行之有效的手段。虽然目前我们在这方面还没有建立起相应的条件，但了解一些相关的概念和方法对大家来说仍然是有必要的。失效模式是指器件失效后表现出来的宏观现象和特征，它不需要解剖器件即可获得，如器件开路、短路、功能丧失、功能退化等。而失效机理对半导体器件来说，主要是指导致器件发生失效的物理、化学变化过程，如介质击穿、PN 结劣化、闩锁效应
42、引起的烧毁等。根据失效机理，可以判断导致器件失效的根本原因， 进而提出相应改进措施。典型的失效分析方法主要有两大类，一类是非解剖方法，另一类是解剖方法。非解剖方法包括：测试（功能测试、I-V 曲线测试） 、模拟实验 （确定是否存在使用问题，如偏置不当， 外围电路错误等等）、外观镜检（检测镀层质量、引脚的锈蚀情况；引脚根部和密封处的机械损伤及密封缝的质量；污染和黏附物）、X-RAY 检测（检测内部结构及金属多余物）、超声扫描（检测潮气引起的塑封器件的内部分层）。解剖方法也包含了几个过程：光学显微镜检查；电分析；扫描电镜分析；器件剖面分析；材料成分分析；模拟试验分析等。就我们目前所具备的条件来看，
43、可以采用的方法只有功能测试和模拟实验。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 不过对我们研发人员来说，对失效器件进行数据统计分类，并力所能及地做一些失效现象和失效模式的分析，至少可以给我们在选用器件的时候提供很好的参考，避免采用一些品质不良或对应力过于敏感的器件。但这些工作也需要大家共同的努力才能做好。可靠性设计是一项综合的、复杂的工作，涉及到电磁场、电路、结构、器件应用、环境等各个方面。要做好这项工作，首先要具备可靠性设计的理念，在实际的研发过程中，要从源头上去考虑，做好预防措施，这是解决产品可靠性的关键，同时也是最节约成本的方法。直放站原理上并不复杂，但要设计一个优秀的有竞争力的直放站产品，需要付出很多的努力。希望这篇文章能帮助大家更深入地了解直放站的原理和设计方法，给大家的研发工作带来一点有益的启示！名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -