基站功率放大器的設(shè)計與仿真

劉 平，崔慶虎，任曉敏

(鄭州大學信息工程學院，河南 鄭州 450001)

隨著無線通信事業(yè)的快速發(fā)展，使用無線通信的用戶逐漸增多，用戶對通信質(zhì)量的要求也越來越高，而基站功率放大器作為基站的重要組成部分，直接影響著無線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。其輸出功率決定了通信距離的長短，有效覆蓋面積的大小等;其效率大小影響著電池的消耗程度和使用時間［1］。

在功率放大模塊的設(shè)計中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)不合適將電路輸出功率減小、效率降低和非線性失真加大。小信號放大器設(shè)計中，可以使用輸入共軛匹配和輸出共軛匹配等方法。但是，在大信號工作時，由于進入非線性區(qū)，功率管的最佳負載阻抗會隨著輸入信號的增加而改變。因而，在小信號情況下設(shè)計的輸入共軛匹配和輸出共軛匹配就變得不再匹配。因此，小信號放大器設(shè)計的一些方法和準則對于功率放大器設(shè)計就不再適用。本文采用負載牽引法來進行輸入輸出匹配電路的設(shè)計。其原理是放大器在給定的一個大信號電平激勵下，連續(xù)改變負載的情況下來繪制等輸出功率曲線，幫助找到最大輸出功率時的最佳負載值［2］。

本文使用了Aglient公司的ADS仿真軟件，運用負載牽引法設(shè)計仿真并且設(shè)計了一款基站射頻功率放大器，采用Freescale半導(dǎo)體的LDMOS晶體管MRF282S。

設(shè)計參數(shù)為:頻率2 GHz;輸出功率6.5 W;輸出效率＞35%;三階交調(diào)系數(shù)IMD3＜－26 dBc。

1 功率放大器的理論基礎(chǔ)和重要指標

功率放大器的任務(wù)是放大高頻信號至需要的功率使得接收機可以收到所需要的信號，所以它對于輸出功率和輸出效率具有較高要求，要求輸出功率盡可能大，輸出效率盡可能高［3］。另外，對于任何的功率放大器，它都必須穩(wěn)定地工作在頻段內(nèi)。而這些都與源阻抗和負載阻抗的選擇息息相關(guān)。以下是它的3個重要指標:

1)輸出效率

通常采用功率附加效率(PAE)來表示

2)增益

功率增益，它定義為負載處的輸出功率和放大器的輸入功率之比

一般基站功率放大器的增益為6 dB以上。

3)互調(diào)失真

互調(diào)失真是兩個或多個輸入信號同時經(jīng)過放大器而產(chǎn)生的混合分量，它也是由于功率放大器的非線性造成的，大小由交調(diào)系數(shù)來表示。其中三階交調(diào)分量與基波信號頻率非常接近，所以要著重考慮三階交調(diào)系數(shù)IMD3，它定義為輸出功率的三階互調(diào)分量與基波分量之比［4］。

2 設(shè)計過程

設(shè)計采用了Freescale半導(dǎo)體的LDMOS晶體管MRF282S，該晶體管為N溝道增強型橫向MOSFET，主要工作在A類和AB類PCN和PCS基站，最高工作頻率可以達到2600 MHz，適合于設(shè)計FM、TDMA、CDMA和多載波放大器的設(shè)計。另外，選擇LDMOS功放管是因為其具有增益大、輸出功率高、線性度良好、低成本、高可靠性等優(yōu)點，非常適合用來設(shè)計基站功放［5］。

2.1 確定靜態(tài)工作點

靜態(tài)工作點的選擇可以決定放大器的工作狀態(tài)。首先選擇“FET_curve_tracer”模板，然后放入飛思卡爾元件模型，選擇“MRF282S”，在ADS中建立直流掃描電路模型。運行電路，得到圖1的直流特性曲線。

仿真得到的靜態(tài)工作點即是圖1中的m1點，VDS=26 V，IDS=0.067 A，從仿真結(jié)果中得到了柵極電壓VGS=4 V，這與datasheet中給出的靜態(tài)工作點非常相近。并且從斜線可以看出此時功放工作在AB類工作狀態(tài)［6］，這樣就確定了晶體管的靜態(tài)工作點。

2.2 穩(wěn)定性分析和偏置電路

要使放大器在工作頻段內(nèi)長時間地可靠工作，必須使其在工作的頻段范圍內(nèi)穩(wěn)定。絕對穩(wěn)定條件是根據(jù)放大器的穩(wěn)定因子來判定的［7］，計算公式為

直接仿真根據(jù)靜態(tài)工作點設(shè)計的電路圖發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定因子小于1，這時放大器不能穩(wěn)定工作。為了實現(xiàn)其絕對穩(wěn)定，本文將一個電阻和電容并聯(lián)在輸入端來作為穩(wěn)定措施，得到如圖2的電路圖。該措施會導(dǎo)致功率傳輸損失，但是它結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定效果好。仿真結(jié)果圖3顯示，該措施提高了放大器的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了其在工作頻段的絕對穩(wěn)定。

2.3 負載牽引法匹配

負載牽引法的原理是首先給放大器一個大信號激勵，在合適的計算范圍內(nèi)不斷改變負載阻抗，繪制出每一個負載值的等輸出功率曲線，然后就可以尋找到最大輸出功率時的最佳的負載值。圖4和圖5分別是負載牽引法的仿真原理圖以及仿真結(jié)果。

圖4 負載牽引仿真原理圖(截圖)

圖5 負載牽引結(jié)果(截圖)

圖5給出了實現(xiàn)功率放大器最大功率附加效率時的負載值m1和最大輸出功率時的負載值m2。這里選擇impendance=m2=1.417+j0.304 作為輸出阻抗，以便達到最大輸出功率。

在得到最佳負載值之后，在Smith元圖上進行阻抗匹配。本文采用的方法是使用幾段串聯(lián)的傳輸線以及間隔配置的并聯(lián)電容組成匹配網(wǎng)絡(luò)來進行匹配。這種結(jié)構(gòu)在實用中很常見，因為改變電容的值以及電容在傳輸線上的位置可以得到非常寬的電路參數(shù)調(diào)整范圍，從而在電路完成加工后也能進行調(diào)整電路參數(shù)。在這里采用了相同寬度的傳輸線，就可以降低實際調(diào)整工作的難度。使用Smith元圖生成了如圖6所示的輸出匹配電路。

圖6 輸出匹配電路(截圖)

輸入匹配電路的生成過程與輸出匹配電路一樣。首先將輸出匹配電路添加到主電路后，然后同理得到最佳的源阻抗，再利用Smith元圖的匹配，最終得到圖7的輸入匹配電路。

圖7 輸入匹配電路(截圖)

得到輸入輸出匹配電路之后就可以進行整個電路圖的搭建了。經(jīng)過優(yōu)化元件值或電路結(jié)構(gòu)，最終得到的功率放大器如圖8所示，仿真結(jié)果如圖9所示。

通過最終的仿真結(jié)果圖可知，在工作頻率為2 GHz，輸入功率為32 dBm時，輸出附加效率達到最高的39.085%，輸出功率為38.295 dBm，即達到了6.5 W的輸出功率。圖10為基站功放的三階互調(diào)失真，可以看到當輸入功率為32 dBm時，IMD3= －29.035，滿足了設(shè)計指標的要求。

圖10 三階交調(diào)失真仿真結(jié)果(截圖)

通過與有關(guān)MRF282S的特性曲線和仿真結(jié)果相比較，仿真結(jié)果和實際中的測量結(jié)果相一致，但是稍微有一些差別，這主要是由于仿真模型與實際中的不完全相同，并且實際中的器件表現(xiàn)不穩(wěn)定也是造成差別的原因。

3 結(jié)論

本文針對基站通信質(zhì)量不能達到預(yù)期效果的問題，采用了負載牽引的方法，利用ADS仿真軟件設(shè)計并仿真了一款符合實際要求的基站功率放大器。不但提高了基站的通信質(zhì)量，擴大了基站有效覆蓋范圍，而且縮短功率放大器的產(chǎn)品研發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本。文中給出了設(shè)計的電路圖和仿真后的結(jié)果，與實際測量結(jié)果對比可以看出，利用負載牽引法進行基站功放的設(shè)計，是一種非常有效實用的方法，能迅速改善基站通信和覆蓋質(zhì)量，降低經(jīng)濟成本。

［1］徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計與仿真實例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:192.

［2］DOO S J，ROBLIN P，BALASUBRAMANIAN V，et al.Pulsed active load－pull measurements for the design of high－efficiency class－B RF power amplifiers with GaN HEMTs［J］.IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques，2009，57(4):881－889.

［3］GOLIO Mike.射頻與微波手冊［M］.孫龍祥，譯.北京:國防工業(yè)出版社，2006:480－482.

［4］GREBENNIKOV Andrei.射頻與微波功率放大器設(shè)計［M］.張玉興，趙宏飛，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2006:160－165.

［5］NEMATI H M，F(xiàn)AGER C，THORSELL M，et al.High－efficiency LDMOS power－amplifier design at 1 GHz using an optimized transistor model［J］.IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques，2009，57(7):1647－1654.

［6］劉軍.VHF 1.6kW全固態(tài)功率放大器功率合成鏈分析［J］.電視技術(shù)，2003，27(9):74－75.

［7］金彥亮，張珠明，林浩杰，等.L波段微波功率放大器的設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2009，33(S1):81－83.