基于CGH40010F的連續F類功率放大器仿真與設計

程暉

摘? 要： 針對通信技術對通信基站射頻前端指標要求日益增高的問題，為了設計更大帶寬、更高效率的功率放大器，文中對連續F類功放的設計理論進行深入研究。基于CREE公司的CGH40010F高功率管完成了功放的設計、仿真、制作與調試。在仿真軟件的選擇上，文中使用的仿真環境為ADS;而在功放制作加工上，文中使用FR4射頻板。測試結果表明，所設計的功放在1.7～2.7 GHz工作帶寬內，可以實現大于39.5 dBm的輸出功率和大于65%的效率。同時，為了解決功放的效率與線性度間的矛盾，對功放進行預失真實驗。實驗結果表明，在2.6 GHz的工作頻點，功放在33 dBm輸出時，ACPR可以從-34.5/-33.6 dBc 降低為-47.4/-48.3 dBc。

關鍵詞： 功率放大器; 設計理論研究; CGH40010F; 通信基站; 連續功放; 放大器設計

Abstract： The development of communication technology results in a higher demand for the RF front?end index of communication base station. In order to design a power amplifier with larger bandwidth and higher efficiency， the design theory of class?F continuous power amplifier is studied in this paper. Design， simulation， manufacture and debugging of the power amplifier are completed on the basis of high power transistor CGH40010F made by Cree Company. In the selection of simulation software， the simulation environment used in this paper is ADS. In the production and processing of power amplifier， FR4 RF board is used. The testing results show that the designed power amplifier can achieve the output power of more than 39.5 dbm and the efficiency of more than 65% in the working bandwidth of 1.7～2.7 GHz. In order to solve the contradiction between the efficiency and linearity of the power amplifier， the predistortion experiment was carried out. The experimental results show that when the output of the power amplifier is 33 dBm at 2.6 GHz， the ACPR can be reduced from -34.5 / -33.6 dBc to -47.4 / -48.3 dBc.

Keywords： power amplifier; design theory research; CGH40010F; communication base station; continuous power amplification; amplifier design

0? 引? 言

通信系統的發展對通信基站中的各種射頻器件有了更高的要求。作為通信基站中的主要耗能設備，功率放大器是射頻前端的重要器件之一，其負責放大射頻信號，保證射頻信號有足夠的功率發射[1?3]。功率放大器的發展有著以下幾個明顯趨勢：

1） 效率不斷提高。功放的效率決定通信基站的耗能，影響基站的通信規劃，是功放最重要的指標之一[4?5]。

2） 帶寬、功率不斷提高。功放的輸出功率提升，意味著更高的通信穩定性、更快的通信速率，同時可以依靠更少的通信基站覆蓋相同的通信區域[6?7]。

基于以上分析，本文對功放的設計理論進行研究、分析。重點研究了連續類功放的設計理論，然后結合指標要求設計工作頻段在1.7～2.7 GHz的寬頻帶功率放大器。功放使用CREE公司的CGH40010F高功率晶體管，實現頻帶內39.5 dBm以上的功率輸出，其功放效率大于65%。同時，為了解決功放的效率與線性度間的矛盾，本文對功放進行預失真實驗。經測試，功放在33 dBm輸出時，ACPR可以達到-47.4 dBc/-48.3 dBc。

1? 設計理論

1.1? 逆F類功率放大器

功率放大器是通信系統射頻前端的重要器件之一，其負責將射頻信號放大到指定的功率，然后由天線進行發射。功率放大器的性能關系到發射信號的質量，對于通信的完成起到極其重要的作用。常見的功率放大器種類有：A類、B類、C類、D類、E類和F類。由于通信技術的不斷演進，對于功放的指標要求也愈加嚴苛。A類、B類、C類功放因其效率低下，已逐漸在通信系統中淘汰。F類功放具有較大的工作帶寬與工作效率，同時在布板上有較小的體積和成本，因此得到了廣泛的應用。F類功放在工作時，通過依靠不同的諧波阻抗，構建漏極電壓、電流波形，從而實現更高的效率。在工作時，F類功放工作在半導通狀態[8?10]。漏極電壓隨諧波數量變化情況如圖1所示。

從圖1可以看出，漏極電流根據諧波阻抗變換，控制晶體管在奇次諧波時開路、偶次諧波時短路，從而實現漏極電壓波形近似為方波。此時，電壓與電流的波形在時域上互補交疊，可以在理論上實現效率的100%。考慮有限次諧波，電壓的波形可以寫成：

根據式（2）可以在圖1中得到不同諧波次數下的電壓波形。可以看出，隨著諧波次數的增加，電壓波形越來越接近方波;電壓波形的零點數與諧波次數m相等。零點的位置，可以由式（3）確定。

式中，r=1，2，…，m。當僅考慮3次諧波，即m=2時，根據式（3）可以得到兩個零點分別為[-π6]和[π6]。此時，有：? ? ? ? [V-π6=1-V1cos-π6-V3cos-π2=0Vπ6=1-V1cos-π6-V3cos（-π2）=0V-π6=0+V1sin-π6+3V3sin-π2=0Vπ6=0+V1sinπ6+3V3sinπ2=0] （4）

當考慮5次諧波，即m=3時，用同樣的方法可以得出效率為94.8%。可看出，當F類功放的諧波次數增加，其效率會趨近于100%。

1.2? 連續型F類功率放大器

F類功放理論上有著較高的效率，但無法實現較大的帶寬[11?12]。在F類功放的基礎上，重新定義電壓波形如下：

式中，電壓波形引入了4次諧波分量，但由于4次諧波項僅有正弦項，只會引入抗性負載，而不會消耗功率。因此，在該波形下的新功放和式（2）具有相同的輸出功率與效率。

將3次諧波下的零點代入式（7），整理得到矩陣形式的方程組：

式中，[Ropt]是優化后的最優基波阻抗。對于連續類F功放，其奇次諧波開路、偶次諧波為純阻抗。從式（11）可以看出，連續類F功放在保證效率的同時，擁有較高的帶寬。

2? 系統實現

2.1? 功放指標

功放是射頻系統內的主要耗能設備，將直流電轉換為射頻信號的功率。功放效率是衡量功放性能的重要指標之一，其定義如下[13?14]：

本文在設計功放時，除了功放的效率以外，還關注了以下線性度指標。

圖3為功放輸出功率與1 dB壓縮點定義的示意圖。由于晶體管的飽和特性，功放的輸出功率并不是一直與輸入功率成線性關系。從圖中可以看出，當實際輸出的功率與理想狀態相差1 dB時，定義此時的輸入功率為功放的1 dB壓縮點。

圖4為功放三階節點示意圖。三階節點包括輸入的三階節點IIP3和輸出的三階節點OIP3。

IIP3、輸入功率Pin與IMD3間存在如式（13）所示的關系。利用該關系，可以通過測量輸入功率的基波功率、三次諧波功率和輸入功率快速計算出IIP3。

圖5給出了功放鄰道功率泄露比ACPR的定義示意圖。具體的定義方式為：

2.2? 功放仿真與測試

本文設計的功放工作頻段為1.7～2.7 GHz，使用的功放管為CREE公司的CGH40010F。在ADS中搭建的功放拓撲圖如圖6所示。

在仿真時，設置CGH40010F的相關參數，如表1所示。

圖7給出了本文設計的功放實物圖與測試平臺。在測試中，矢量信號發生器VSG負責射頻信號的生成，頻譜分析儀VSA負責功放輸出信號功率的測量。由于VSA的輸入功率不能過高，在功放的輸出端接入一個工作頻率為5 GHz以下的衰減器。功放總體使用雙電源供電。

圖8給出了功放輸出功率和漏極效率的仿真與實際測試結果。從輸出功率看，功放在1.7～2.7 GHz之間，仿真的輸出功率大于40 dBm，實際測試輸出功率大于39.5 dBm。因此，實際測試結果與計算機仿真結果基本吻合。功放的輸出功率較大，在整個工作頻帶內有較高的平坦度;在漏極效率上，本文設計的工作在全頻帶內，仿真的效率可以達到75%以上。實際測試在1.7～2.0 GHz之內，效率在70%以上，與仿真結果基本吻合;在2.0～2.7 GHz內，效率可以達到65%以上。雖然與仿真結果有所偏差，但也實現了較高的效率，可以滿足系統的需求。高頻帶內效率的偏差主要是由加工工藝造成的。

圖9給出了在2.6 GHz時，對功放進行預失真實驗的效果圖。此時，功放的輸出功率為33 dBm，使用信號為40 MHz的OFDM信號，VSA與VSG的采樣速率設置為160 MB/s。在進行預失真前，功放的ACPR為-34.5 dBc/-33.6 dBc，預失真后的ACPR為-47.4 dBc/-48.3 dBc。通過預失真，在保證功放效率的同時，可以降低功放的非線性，提升功放輸出的調制信號質量。

3? 結? 語

本文面向高帶寬、高功率、高效率射頻前端應用場景，對功率放大器設計的相關理論進行了研究。文中的第一部分對連續F類功放的實際理論進行闡述，第二部分基于這些理論進行功放的仿真、實物制作和調試測試。本文設計的功放可以在1 GHz帶寬內，實現39.5 dBm的高功率與大于65%的高效率。因此，該功放可以滿足通信基站的發展及未來的應用需求。

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