高效率基站功放的研究與設計實現

林錫貴

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

進入21世紀以來，通信行業取得重大進展，但是因為移動帶寬的限制而使得帶寬被大規模削減，大部分新的解決方案都依靠繁瑣的調制手段來降低相關帶寬的消耗，在諸多相關方案的操作中均是通過非恒包絡的改善渠道，該方式使得射頻信號所對應的峰均比變的范圍進行了拓寬，功率放大器具備了更寬的外輸變化數值，其對相關設備的線性度標準也更加苛刻。線性度的增加通常依靠功率返還的操作進行作業，但是功率返還肯定會引發放大設備運行質量的大幅度下降。Dherty制定的高性能措施可以有效地克服這一障礙，Dherty方案可以將放大設備在極大的功率波動區域內確保其仍有高性能的輸出。

Dherty方案里的放大設備能夠有效地解決并促進功率放大設備在功率返還時性能的提升，將其和前饋以及預失真線路相結合，能夠在線性度以及性能兩者之間獲得優化考量，Dherty方案的核心理論是把接收信號的平均區域和峰值區域先分別完成放大，最終再重新進行合成，利用這種形式得到比以往要高的效率和性能。

1 功率放大器的基本原理和構造論述

Dherty構造的原理開始是由貝爾實驗所的W·H Dherty進行闡述分析的。通常意義上的Dherty結構如圖1所示。

圖1 Dherty結構框圖

一般需要兩個相互平行的放大設備結合，其中一個是主功率放大設備，也叫載波功率放大設別，第二個稱為輔助功率放大設備，也叫峰值功率放大裝置。在進行組合的時候，主功率放大器偏置在AB區域，而輔助功率放大器偏置在C區域。主功率放大器后部分以及輔助功率放大器的前部分都配置了λ／4的微帶連接線，各自產生阻抗波動的效果以及相位穩定的功能。其中兩條支路通過λ／4微帶連接線完成匯合同時把放大后的信號完成外送。如果主放大設備幾乎飽和時輔助放大裝置就會對外輸送電流，通過這種方式降低主放大設別的對外阻抗，最終就可以使得主放大器在接近飽和時放出大量的電流，該現象一般能用“有源負載牽引”[1]的觀點來進行分析。通過該方法能夠使主放大設備在飽和輸出區域的功率返回到8 dB的狀態下取得與負載飽和功率相同的效果和性能。

Dherty結構放大裝置的關鍵理論分析能夠按照其運行的3種不同的形式完成研究，依次是低功率運行模式、中等功率運行模式、高功率運行模式，如圖2所示。

2 功率放大器設計的要點和關鍵理論研究

功率放大裝置的用途關鍵是將高頻信號進行擴大直到接收設備所規定的功率范圍，其對功放器運行的效率性能和功率都得符合相關的規定和限制：外輸功率和綜合性能都必須盡可能高，而且功率放大設備在頻率范圍內一定要保證運行的穩定可靠，而達到上述全部要求于與源阻抗、相關載荷阻抗等有直接關聯。

載荷區域輸出功率和功率放大器二者的功率比值，即基站功放設備的功率對應增加值，一般至少需要達到8 dB[2]。互調混合數值指若干個信號疊加穿越功率放大器時所增加的附加數值，通常這也是功率放大器方案中一定要參考的關鍵數據。它是由于功率放大器的非線性而產生的，具體數值利用交調系數進行顯示。另外這里的三階交調類別以及基波信號的參數在頻率范圍上極其相似，所以也要強調提高對IMD3，也即三階交調數據方向的關注和研究分析。

圖2 3種模式下的Dherty功放

3 促進基站功率放大設備效率和性能提升的設計流程

該基站建設過程中高效率功率放大器的初步設計依靠的是LDMOS晶體管MRF282S，這個組成構件是N溝道的優化版本，其經過了相關改良并且大部分是在AB類以及A類的PCS和PCN基站中進行現場運行和推廣，它的運行頻率最高可以突破2 800 MHz，因此該半導體晶體管通常特別在FM.CDMA和非單一載波的功率放大器初步設計中得到大規模應用實施[3]。而且本文涉及的設計方案運用該種類的晶體管還能夠極大促進功率放大器的增益的提高，同時其初步投資很低，擁有優異的線性度，因此具有很大的推廣相和操作可行性。

3.1 確定相關穩定工作點

穩定正常工作點對功率放大器的現場運行過程會起到相當程度的作用，本設計方案中的穩定工作點的獲得初步按照FET_curve_tracer的相關模式，然后把飛思卡爾模型和其進行結合，最后使用MRF282S，在ADS中形成對應的支流掃描模式，同時模擬對應模型完成仿真作業，通過這種方式獲取支流特性圖像曲線。依據相關的仿真數據最終獲取穩定的工作點、柵極電壓等參數信息。

相關設計電路的預定參數為：頻率范圍從2 560～2 720 MHz，另外其輸出功率上限設定為140 W，當功率回退到7 dB時，其對應的PAE設定為大于50%，同時該電路可使用到LTE-TDD的基站功率放大設備的模塊中。

3.2 工作參數研究及其穩定性

通常為了使功率放大器可以在運行頻段范圍中保證長期的現場作業穩定，就一定要使其運行頻率維持在一個定值。一般來說要確認是不是符合穩定工作狀況的規定要根據功率放大器的穩定因子完成相關對比分析。

該設計方案初步依據仿真獲取穩定的工作點，利用對相關靜態工作點運行流程中獲得的電路圖可以得出其穩定因子沒有達到1，因此功率放大器在該情況下就不能確保運行的穩定性和科學性。為了使得功率放大器的現場運行的穩定性能，此次設計選擇在輸入端把電阻和相關電容一起進行并聯的形式當作確保運行穩定的保證，在進行了仿真試驗之后發現，這種設計方式可以促進功率放大器的運行穩定性能，同時其構造十分簡便且便于進行大規模的推廣應用。

4 結語

綜上所述，文章具體分析概括了常見的一種對稱Dherty構造，另外探討研究了全局性對稱Dherty方案的設計流程。依據仿真試驗的結果闡述了對稱構造的科學性和其優越性能，其最關鍵的區域就是比以往功率放大器在整體輸出功率以及效率上均有提高和改善。另外，這種對稱構造Dherty方案容易操作也是其一個優勢。

利用負載牽引的形式針對高效率的基站功率放大設備完成了相關設計，并依靠ADS仿真設備完成了其仿真實驗，從最終的仿真數據能夠得出結論本次設計是合理可行的，該設計可以將基站功率放大設備的大部分運行參數進行改善，降低研發的整體時間，極大地減少了投資費用，拓寬了基站覆蓋面積，同時把其設計成效盡可能地展現出來，具有大范圍推廣的科學合理性。