可重構(gòu)多波段射頻功率放大器設(shè)計(jì)

徐 謙，劉太君，葉 焱，郭曉鋒，李瑞陽(yáng)

（寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波315211）

0 引言

隨著4G通信商用腳步的開(kāi)始，未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，多種制式的通信系統(tǒng)將共存，底層的通信設(shè)備將面臨巨大考驗(yàn)。能夠適應(yīng)不同制式，自由工作在不同頻段的多波段、多模式[1]射頻功率放大器在未來(lái)會(huì)有很大的前景。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在多波段器件方面的研究成果給多波段射頻功放的研究帶來(lái)了一定的推動(dòng)力。最近幾年，相繼有學(xué)者在多波段射頻功放領(lǐng)域發(fā)表研究成果，但可重構(gòu)多波段[2]射頻功放的研究還是寥寥無(wú)幾。

多波段射頻功率放大器設(shè)計(jì)的主要方法有超寬帶功放[3]、并發(fā)多波段功放[4]和可重構(gòu)多波段功放?？芍貥?gòu)多波段功放和前2種功放的主要區(qū)別在于其可重構(gòu)性和靈活性，它在不同的幾個(gè)頻段之間，可以根據(jù)外部的控制信號(hào)來(lái)切換。日后再輔以輸入信號(hào)檢測(cè)電路，完全可以達(dá)到“智能功放”的特點(diǎn)，自動(dòng)切換功放的工作狀態(tài)，達(dá)到真正的頻率高效利用。

1 設(shè)計(jì)思路

可重構(gòu)多波段功放的主要設(shè)計(jì)思路就是利用可重構(gòu)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)功放工作狀態(tài)的配置。開(kāi)關(guān)是常用的可重構(gòu)器件，但一般低頻電路中的開(kāi)關(guān)因?yàn)槠洳鍝p和頻率特性，并不適合用于射頻電路。PIN二極管[5]的單向?qū)ㄌ匦钥梢詫?shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的特性，相比較MEMS[6]開(kāi)關(guān)具有成本低、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。利用該特性來(lái)改變功放匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功放在不同工作頻點(diǎn)間工作。

可重構(gòu)多波段功放的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖中通過(guò)開(kāi)關(guān)的控制，選擇參與匹配的電容，實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)1和匹配網(wǎng)絡(luò)2之間的切換?；谠撛O(shè)計(jì)思路，在匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)可以拓展電路結(jié)構(gòu)，增加參與匹配的器件，最終通過(guò)開(kāi)關(guān)控制可以達(dá)到多波段切換工作的目的。

圖1 可重構(gòu)多波段功放設(shè)計(jì)框圖

2 可重構(gòu)器件設(shè)計(jì)

可重構(gòu)器件即通過(guò)外部控制信號(hào)，切換其不同工作特性及狀態(tài)的器件，例如開(kāi)關(guān)和可變電容[7]等?，F(xiàn)成的射頻開(kāi)關(guān)芯片由于其封裝的尺寸和特性，在功放設(shè)計(jì)中不具有靈活性。PIN二極管具有插損小、頻段寬的特點(diǎn)，可用于射頻開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)。

2.1 PIN二極管開(kāi)關(guān)仿真

選用Skyworks的SMP1345－079LF型號(hào)PIN二極管，該二極管插損小，等效電容小，并有多種封裝形式，可以實(shí)現(xiàn)單刀單置和單刀多置開(kāi)關(guān)。PIN二極管要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的功能，需要合理地設(shè)計(jì)偏置電路，使其能夠良好地實(shí)現(xiàn)“開(kāi)”和“關(guān)”的狀態(tài)。偏置電路的作用除了提供直流供電外，還需要扼制交流信號(hào)。而且，開(kāi)關(guān)直接加在匹配網(wǎng)絡(luò)中，要和功放自身的偏置電路隔絕開(kāi)，控制電壓的變化不能影響功放本身的靜態(tài)工作點(diǎn)。利用PIN二極管設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電路如圖2所示。

圖2 PIN二極管開(kāi)關(guān)原理

該設(shè)計(jì)中偏置網(wǎng)絡(luò)加在匹配電容和PIN二極管之間，既保證匹配電容隔絕開(kāi)關(guān)直流電流，又使交流信號(hào)能夠通過(guò)匹配電容和PIN二極管到地。

在先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced Design System，ADS）仿真軟件中通過(guò)仿真開(kāi)關(guān)2個(gè)端口的S參數(shù)，可以測(cè)試出特性。仿真得到的S21曲線如圖3所示，即開(kāi)關(guān)的插損特性。

圖3 開(kāi)關(guān)仿真特性曲線

從圖3中可以很直觀地了解到設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)在“開(kāi)”與“關(guān)”2個(gè)狀態(tài)下的巨大差別，在很寬頻段內(nèi)都有10dB以上的隔離度。

2.2 PIN二極管開(kāi)關(guān)測(cè)試

根據(jù)仿真設(shè)計(jì)原理圖，在實(shí)際PCB板上利用實(shí)際的電容、電阻和PIN二極管芯片搭建測(cè)試電路。實(shí)際的測(cè)試電路如圖4所示，通過(guò)PIN二極管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)來(lái)控制電路的導(dǎo)通與否。

圖4 PIN二極管實(shí)測(cè)電路

實(shí)際測(cè)得的曲線如圖5所示。

圖5 PIN二極管開(kāi)關(guān)實(shí)測(cè)曲線

從圖5中的曲線可以看出，“開(kāi)”和“關(guān)”狀態(tài)之間的插損相差15dB，保證了有效的隔離度。從頻率特性來(lái)看，S11＜－10dB以下的帶寬可以達(dá)到100MHz以上，完全滿足單個(gè)頻段工作帶寬需求。

3 多波段射頻功放設(shè)計(jì)

在功放匹配電路中應(yīng)用可重構(gòu)器件，實(shí)現(xiàn)不同匹配網(wǎng)絡(luò)之間的切換，就能達(dá)到功放在不同工作頻段點(diǎn)間的配置。

匹配網(wǎng)絡(luò)主要由微帶、電容和電感組成，由于微帶的可操作性差，因此可以利用開(kāi)關(guān)來(lái)控制匹配電容的接入。這樣不僅可以保證匹配網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化，也能減少開(kāi)關(guān)對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的影響。設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先要保證不同頻段匹配網(wǎng)絡(luò)之間微帶電路的一致，使其結(jié)構(gòu)差異僅體現(xiàn)在參與匹配的電容。為實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻段之間超寬頻的跨度，選擇功放管時(shí)可以選擇寬帶特性的GaN，其輸出匹配電路可以利用寬帶匹配技術(shù)[8]，在一個(gè)匹配電路內(nèi)覆蓋整個(gè)頻段跨度。功放的整體設(shè)計(jì)框架如圖6所示。在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)幾個(gè)PIN二極管開(kāi)關(guān)的組合，可以達(dá)到多個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)的效果，實(shí)現(xiàn)幾個(gè)頻段的切換。

圖6 可重構(gòu)多波段功放設(shè)計(jì)框架

在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇1750MHz、2100MHz和2600MHz這個(gè)3個(gè)中心頻點(diǎn)，覆蓋了目前常用的一些頻段，也突破了目前LDMOS管子的最大工作頻段跨度。這3個(gè)頻段也代表了未來(lái)3G和4G[9]商用的幾個(gè)典型頻段，包含了TDD和FDD[10]這2種制式。晶體管選用CREE公司型號(hào)CGH40010的GaN管子。在ADS中設(shè)計(jì)完成的功放電路原理圖如圖7所示。

圖7 可重構(gòu)多波段功放仿真電路圖

4 測(cè)試結(jié)果

在實(shí)際制板中，采用Rogers4350B板材，板厚0.762mm，介電常數(shù)3.66，敷銅厚度25um。實(shí)際制作調(diào)試完成的功放電路圖如圖8所示。在功放輸出端，寬帶匹配技術(shù)結(jié)合GaN管子的寬帶特性，在一個(gè)匹配電路中完成了3個(gè)頻段的整體覆蓋，保證功放在不同頻點(diǎn)都有良好的輸出特性。在輸入匹配電路中引入了2個(gè)開(kāi)關(guān)電路，控制匹配電容的接入。2個(gè)開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)4種組合，滿足設(shè)計(jì)需要的3個(gè)頻段之間的切換，減少了開(kāi)關(guān)數(shù)量。在實(shí)際調(diào)試當(dāng)中，開(kāi)關(guān)的減少也避免了開(kāi)關(guān)電路對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步影響。

圖8 功放實(shí)際測(cè)試電路圖

開(kāi)關(guān)1和開(kāi)關(guān)2通過(guò)外部電壓控制，使功放在模式1（2600MHz）、模式2（2100MHz）和模式3（1710MHz）之間切換工作。模式1狀態(tài)下功放的小信號(hào)測(cè)試曲線如圖9所示。此時(shí)開(kāi)關(guān)1和開(kāi)關(guān)2都處于“關(guān)”狀態(tài)。從圖9中的S參數(shù)可以看到，功放在1700～2650MHz頻段內(nèi)有14～16dB增益。且模式1下，功放在2600MHz頻段附近具有良好的S參數(shù)特性。

圖9 模式1狀態(tài)下功放實(shí)測(cè)曲線

當(dāng)開(kāi)關(guān)1“關(guān)”、開(kāi)關(guān)2“開(kāi)”時(shí)，功放切換到模式2。模式2下的功放測(cè)試曲線如圖10所示。此時(shí)功放在1800～2200MHz頻段內(nèi)有良好的寬帶特性，增益平坦度也保證在1dB以內(nèi)，并且S11都在－10dB以下。

圖10 模式2狀態(tài)下功放實(shí)測(cè)曲線

當(dāng)開(kāi)關(guān)1“開(kāi)”、開(kāi)關(guān)2“關(guān)”時(shí)，功放切換到模式3。模式3的測(cè)試情況如圖11所示，在1700～1800MHz頻段內(nèi)，功放S11＜－11dB，增益波動(dòng)范圍達(dá)到0.7dB。

圖11 模式3狀態(tài)下功放實(shí)測(cè)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，基于PIN二極管開(kāi)關(guān)的可重構(gòu)多波段功放的設(shè)計(jì)方法具有相當(dāng)?shù)目尚行浴?shí)際調(diào)試發(fā)現(xiàn)，PIN二極管開(kāi)關(guān)電路具有簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定，多個(gè)PIN二極管開(kāi)關(guān)的組合，可以為今后更多頻段之間的切換提供便利。該設(shè)計(jì)方法較其他的方案來(lái)說(shuō)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便和易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，在未來(lái)進(jìn)一步結(jié)合寬帶功放設(shè)計(jì)以后，會(huì)具有更大的應(yīng)用前景。

[1]NEO W C E，LIN Y，LIU X D，et al.Adaptive Multiband Multi-mode Power Amplifier Using Integrated Varactor-based Tunable Matching Networks[J].Solid-State Circuits，IEEE Journal，2006，41（9）:2166－2176.

[2]FUKUDA A，F(xiàn)URUTA T，OKAZAKI H，et al.A 0.9-5-GHz Wide-range 1W-Class Reconfigurable Power Amplifier Employing RF-MEMS Switches[C]//Microwave Symposium Digest（MTT），2006 IEEE MTT-S International，2006:1859－1862.

[3]WU D Y T，MKADEM F，BOUMAIZA S.Design of a Broadband and Highly Efficient 45W GaN Power Amplifier via Simplified Real Frequency Technique[C]//Microwave Symposium Digest（MTT），2010 IEEE MTT-S International，2010:1090－1093.

[4]WANG Z，PARK C W.Concurrent tri-band GaN HEMT Power Amplifier Using Resonators in both Input and Output Matching Network[C]//Wireless and Microwave Technology Conference（WAMICON），2012 IEEE 13th Annual，2012:1－4.

[5]PARK J C，YOOK J G，Kim Y D，et al.Dual-band Switching Doherty Power Amplifier Using Phase Shifter Composed of PIN Diode[C]//Microwave Integrated Circuits Conference（EuMIC），2011 European.IEEE，2011:300－303.

[6]QIAO D，MOLFINO R，LARDIZABAL S M，et al.An Intelligently Controlled RF Power Amplifier with a Reconfigurable MEMS-varactor Tuner[J].Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，2005，53（3）:1089－1095.

[7]ENTESAR K，REBEIZ G M.RF MEMS，BST and GaAs Varactor System-level Response in Complex Modulation Systems[J].International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering，2008，18（1）:86－98.

[8]SUN Guo-lin，JANSEN R H.Broadband Doherty Power Amplifier via Real Frequency Technique [J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2012（60）:99－111.

[9]JAMIL M，SHAIKH S P，SHAHZAD M，et al.4G:The future Mobile Technology[C]//TENCON 2008，IEEE Region 10 Conference，2008:1－6.

[10]KHAN F.LTE for 4G Mobile Broadband:Air Interface Technologies and Performance[M].British:Cambridge University Press，2009.