飛地系統(tǒng)230MHz線性功放設(shè)計(jì)

顏川江

中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二三研究所，江蘇揚(yáng)州 225001

0 引言

飛地系統(tǒng)是一種把GSM信號(hào)移頻到低頻頻段中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)南到y(tǒng)。GSM頻段信號(hào)在近端有移頻模塊將頻率移至3M帶寬的230MHz頻段，在近端通過線性功放放大后經(jīng)天線將信號(hào)發(fā)射出去，在遠(yuǎn)端把信號(hào)還原于原GSM頻段，放大信號(hào)后覆蓋。飛地系統(tǒng)可以很有效解決城市頻率資源較為緊張的覆蓋區(qū)和多丘陵、多山、森林等地區(qū)的信號(hào)問題。由于其傳輸頻率工作比較低的頻段，電波的繞射能力比較強(qiáng)，根據(jù)菲涅爾半徑的計(jì)算公式菲涅爾半徑的計(jì)算公式：R=0.5（λD）0.5其中λ為波長(zhǎng)，D為兩天線的距離，λ＝3×108 /f（m）。由此公式，我們可以看出，當(dāng)頻率f固定時(shí)，菲涅爾半徑隨著傳輸距離的增加而增大。同時(shí)，當(dāng)距離固定時(shí)，菲涅爾半徑隨著頻率的減小而增大。理論上230MHz的頻率能克服超過天線70m高的障礙物。因此，飛地系統(tǒng)可適合用于山區(qū)，丘陵，農(nóng)村，以及一些地震，泥石流多發(fā)生地帶。

對(duì)于使用在近端230MHz頻段的功放，跟GSM信號(hào)一樣，對(duì)功放的線性要求同樣比較苛刻。功放為此系統(tǒng)的核心，所以它的線性和穩(wěn)定性直接決定著系統(tǒng)的工作質(zhì)量。

1 功率放大器( PA) 分析與設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文以飛地系統(tǒng)的項(xiàng)目需要的微波功率放大器為實(shí)例，集中討論了PA 分析和設(shè)計(jì)的過程. 該放大器采用MW6S004N作為驅(qū)動(dòng)放大管，MRF9060作為末級(jí)功放。設(shè)計(jì)的指標(biāo)為：1）工作頻率為232MHz～235MHz ；2）1 dB 壓縮點(diǎn)輸出功率為60 W；3）功率增益35dB 以上；4）IMD3 （三階互調(diào)失真） 小于- 52dBc。

1.2 負(fù)載牽引法

由于廠家提供的MW6S004N 對(duì)應(yīng)于頻率范圍為500MHz～3000MHz的S參數(shù)不能直接用來作為本次設(shè)計(jì)時(shí)的最佳源阻抗和負(fù)載阻抗.同樣MRF9060的930MHz～960MHz的輸入輸出阻抗不能作為設(shè)計(jì)的參數(shù)。所以本文采用負(fù)載牽引法來得到其在232MHz～235MHz的源阻抗和負(fù)載阻抗值。為了使2只功率放大管工作在最佳狀態(tài)下，并且充分發(fā)揮其潛力，對(duì)其負(fù)載牽引特性進(jìn)行測(cè)量或仿真是必需的。負(fù)載牽引法，原理就是放大器在大信號(hào)電平激勵(lì)下，通過連續(xù)變換負(fù)載測(cè)試輸出功率，然后在SMITH阻抗圓圖上畫出等功率和等增益曲線。這樣就可以選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲎杩箿?zhǔn)確地設(shè)計(jì)功率放大器，達(dá)到所需的增益和輸出功率。負(fù)載牽引技術(shù)可以由實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)和高頻電路設(shè)計(jì)輔助軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)，但是搭建一個(gè)負(fù)載牽引測(cè)量系統(tǒng)的成本相當(dāng)之大，而且不易實(shí)現(xiàn)。本文采用ADS 軟件對(duì)上面所設(shè)計(jì)的功率放大器使用負(fù)載牽引（Loadpull）技術(shù)有規(guī)則的搜尋史密斯（Smith）圓圖上的每個(gè)區(qū)域，確定最佳負(fù)載的阻抗值。國(guó)內(nèi)外對(duì)這一方面也做很多的研究工作。同時(shí)，為了考慮到線性度和效率，我們采用了雙音頻負(fù)載牽引，這樣就可以兼顧功率，效率和線性.本文中用Agilent ADS 軟件來完成MW 6S004N和MRF9060 在232MHz～235MHz的源阻抗ZS 和負(fù)載阻抗ZL 的測(cè)試。負(fù)載牽引結(jié)果如圖3所示，同一條等高線代表的是相同的輸出功率，越趨向于中心點(diǎn)，輸出功率越大，最中心點(diǎn)為最大輸出功率，這是一個(gè)不斷收斂的過程。為綜合考慮輸出功率、效率和線性，最終得出MW6S004N最佳負(fù)載阻抗值ZL= 0. 54 - j2.67 ，ZS = 1.24 - j4.25。同理可得MRF9060的最佳阻抗為ZL= 0.78 - j5.34， ZL= 0. 32 - j3.52下面我們就可以用得到的ZS 和ZL 來進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

1. 3 優(yōu)化輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

在設(shè)計(jì)輸入阻抗匹配電路時(shí)需要考慮穩(wěn)定、增益、增益平坦、輸入駐波比等，在輸出匹配電路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮諧波抑制、輸出駐波比、損耗等，在設(shè)計(jì)輸出匹配電路之前，要仔細(xì)分析是按最大功率輸出還是額度功率輸出來選擇輸出阻抗參數(shù)，以便于得到需要的輸出功率。在設(shè)計(jì)中，選擇微帶和電容組合的混合匹配電路，電路結(jié)構(gòu)為n 個(gè)Γ 型電路串聯(lián)而成 。滿足最大增益的情況下，輸出為4 235dBm。利用ADS的匹配優(yōu)化，最終得出微帶與電容的組合匹配。

2.功率放大器IM 3和IM 5的測(cè)試及優(yōu)化

項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的功率放大器工作頻段為230 MHz ，增益大于35 dB ，端口駐波比小于1. 5 ，輸出功率大于41 dBm ，增益平坦度為±0.5dB。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用兩級(jí)放大形式，前級(jí)放大器采用LDMOS場(chǎng)效應(yīng)管MW6S004N ，中間進(jìn)行電容匹配以及預(yù)留一個(gè)3 dB的阻衰減器，用以調(diào)節(jié)兩級(jí)放大管之間的駐波比，衰減器要考慮驅(qū)動(dòng)級(jí)的輸出線性度。末級(jí)采用飛思卡爾公司的場(chǎng)效應(yīng)晶體管MRF9060 。

將匹配優(yōu)化后的原理圖另存后，然后刪除所有的控件，Term及電源，用Port代替，建立模型，然后插入HB2TonePAE_Pswp模板。在原理圖中執(zhí)行菜單命令。將所有的參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行仿真，從得出的出書IM3和IM5圖中，我們可以根據(jù)需要適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。最終將電路的原理設(shè)計(jì)完畢創(chuàng)建電路的印制電路板圖了。

3 結(jié)論

本文采用 ADS 軟件仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)了用于飛地系統(tǒng)的230MHz輸出功率13W 的功率放大器，通過ADS負(fù)載牽引尋找出放大器的最佳源阻抗和負(fù)載阻抗、進(jìn)行了放大器的輸入輸出匹配，以及IM3和IM5的仿真，最后倒出印刷電路板，經(jīng)過測(cè)試得出了正確的設(shè)計(jì)方案。