用于無線Mesh通信的寬帶線性功放模塊設計

魏正華，杜廣星，葉小蘭

（1.長沙民政職業技術學院電子信息工程學院，長沙410004；2.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙410082；3.長沙環境保護職業技術學院環境監測系，長沙410004）

1 引言

隨著自然環境的破壞，近幾十年來我國自然災害頻發，是全球僅次于美國和日本的自然災害最嚴重的國家，給國家生產建設和人們生命財產安全造成巨大威脅［1］。因此，2018年3月，中國政府組建應急管理部建立統一指揮、專場兼備、反應迅速、上下聯動、平戰結合的新時代應急管理體系［2］。應急通信是進行應急管理的重要技術手段，面對自然災害、事故災害、環境污染、公共安全等突發事件，公網基礎設施極有可能被損毀無法通信或通信容量不足導致通信堵塞，第一時間快速部署應急通信保障系統、實時獲取現場狀況為上級迅速掌握事件態勢進行準確決策和指揮救援，從而盡可能減少國家和社會損失［3］。無線Mesh 通信系統具有高吞吐速率、遠距離、組網靈活和易部署的特點，成為應急通信系統的主流技術方案［4］。由于現有無線Mesh 通信系統的節點之間大多以單頻點進行通信，惡劣的電磁環境下信道容易被干擾，導致通信性能降低，設計的寬帶射頻線性功放模塊能夠讓無線Mesh 系統在（1～1.5）GHz 頻率范圍內配置工作頻點，進一步提高無線Mesh 通信系統的魯棒性。

2 功放模塊設計

2.1 總體方案

設計的寬帶射頻功放模塊主要指標是：（1～1.5）GHz 頻率范圍內工作頻帶內增益≥20 dB，輸出功率（30～37）dBm＠（1～5）W，二次、三次、四次諧波抑制≥50 dBc，支持數字射頻信號峰均比（PAR）≥6 dB，ACPR≤-30 dBc（37 dBm ±1 dB），工作電壓范圍：（ ＋9～＋17）V，功耗≤40 W（發射平均功率5 W），具有開、短路保護和溫度保護功能。通過分析指標，寬帶射頻線性功放模塊設計總體架構如圖1所示。

圖1 寬帶射頻線性功放模塊總體圖Fig.1 General diagram of broadband RF linear power amplifier module

2.2 發射鏈路放大電路設計

2.2.1 驅動放大器設計

驅動放大器選擇TriQuint 公司生產的TQP7M 9104，對功放模塊的效率影響不大，主要考慮提高線性度，所以設計為A 類功放。將廠家提供的芯片s2p 文件導入ADS 軟件仿真，并在史密斯圓圖中進行多級L 型匹配，每一級L 型電路轉動的阻抗要在對應節點品質因數范圍內［5］，最后設計驅動放大器電路如圖2所示。

從圖2 中可知，驅動放大器的輸入輸出匹配電路由微帶線并聯多個電容組成的多級L 型電路構成，電路板選用的是羅杰斯4350B 板材，仿真該電路的增益、穩定系數和輸入輸出駐波如圖3所示。

圖2 驅動放大器電路圖Fig.2 Circuit diagram of driving amplifier

圖3 顯示，工作頻段范圍內小信號增益是（17～18.8）dB，穩定系數大于1，確保了驅動放大器工作在絕對穩定狀態，通過多級L 型匹配網絡進行寬帶匹配后輸入駐波系數小于2.3，輸出駐波系數小于1.5，寬帶性能滿足驅動放大器需求。

圖3 驅動放大器小信號仿真結果圖Fig.3 Small signal simulation results of driving amplifier

2.2.2 末級功率放大器設計

在ADS 中導入廠家提供的NPT1015B 器件模型進行仿真設計，將直流偏置點設置為600 mA，通過柵壓調節電路設置柵壓為-1.05 V，在（1～1.5）GHz 范圍選擇1 GHz，1.1 GHz，1.2 GHz，1.3 GHz，1.4 GHz，1.5 GHz 共6 個頻點通過負載牽引技術（LoadPull 技術）尋找最佳阻抗點［6-8］，輸入端采用高低阻抗微帶線和串聯電阻增加整個電路穩定性，輸出端采用高低阻抗微帶線并聯電容方式設計匹配電路，板材為羅杰斯4350B 板材，仿真優化后設計電路如圖4所示，小信號仿真結果如圖5所示。

圖4 末級功率放大器電路圖Fig.4 Circuit diagram of final stage power amplifier

圖5 末級功率放大器小信號仿真結果圖Fig.5 Small signal simulation results of final stage power amplifier

圖5 中，末級功率放大器工在作頻帶范圍內增益為（12.4～15.7）dB，穩定系數大于2.7，電路處于穩定工作狀態，表明在輸入匹配電路引入電阻的方式有利于功率放大器電路穩定，輸入端駐波系數小于1.55，輸出端駐波小于1.35，匹配性能良好。

選取1 GHz，1.1 GHz，1.2 GHz，1.3 GHz，1.4 GHz，1.5 GHz 頻點進行單頻點連續信號推動該末級功率放大器輸出，輸入信號功率從小增大，當基波將達到飽和功率點時輸出信號包含基波和各次諧波分量，使用ADS 仿真分析該末級功率放大器的增益與基波輸出功率關系、功率附加效率（PAE）與基波輸出功率關系如圖6所示。

圖6 末級功率放大器大功率輸出仿真結果圖Fig.6 High power output simulation results of final stage power amplifier

圖6（a）顯示在6 個頻點分別進行單頻點連續波輸入，當輸入信號功率較小時，各頻點基波增益基本保持穩定，分別為15.7 dB，14.9 dB，14.3 dB，13.7 dB，13.1 dB，12.4 dB，表明該末級功率放大器處于線性狀態，輸出信號沒有產生失真；圖6（b）顯示基波輸出38 dBm 時，PAE≥20 %。

對末級功率放大器在工作頻帶內選取1 GHz，1.1 GHz，1.2 GHz，1.3 GHz，1.4 GHz，1.5 GHz 頻點進行雙音連續信號推動輸出，雙音頻率間隔5 kHz。采用ADS 分析本設計中末級放大器的非線性指標IM3和IM5如圖7所示。

圖7 雙音信號激勵非線性仿真結果圖Fig.7 Nonlinear simulation results of two-tone signal excitation

3 實物設計和測試結果

圖7 顯示末級功率放大器在輸出平均功率38 dBm 時，已進入到了非線性區域，存在-33 dBc 的諧波分量，為實現諧波≥50 dBc 的目標，通過外協定制帶通濾波器，性能指標：通帶為（1～1.5）GHz，帶內插損0.5 dB，通帶駐波小于1.5，帶外抑制40 dB＠（2～2.2）GHz，45 dB＠（2.2～2.8）GHz，50 dB＠（2.8～3）GHz，40 dB＠（3～6.2）GHz，承受平均功率15 W，峰值功率50 W，尺寸為（10 ×15）mm；用于開短路保護的寬帶隔離器通過外協設定指標：頻率范圍（0.99～1.51）GHz，最大正向損耗小于0.5 dB，最小反向隔離11 dB，帶內駐波系數1.8，承受功率達20 W，負載功率10 W。對寬帶射頻功放進行電路加工，實物如圖8所示。

圖8 寬帶射頻功放模塊實物圖Fig.8 Picture of broadband RF power amplifier module

無線Mesh 通信系統實際工作時發射的射頻信號是高峰均比的COFDM 信號，但通信系統工作在時分復用（TDD）模式，不便驗證寬帶射頻功放模塊輸出性能，根據以往調試經驗，利用數字信號源產生的64 QAM、帶寬為20 MHz 的高峰均比數字射頻信號替代COFDM 信號，采用鄰信道功率比（ACPR）衡量射頻功放模塊的線性度；寬帶射頻功放模塊的增益是兩級放大增益去除無源電路的損耗并通過π 型衰減器調整的最后鏈路增益，總體測試結果如表2所示。

表2 模塊測試性能Tab.2 Test performance of broadband RF power amplifier module

表2 測試結果顯示，工作頻帶內選擇6 個頻點作為數字射頻信號的載波頻點，相鄰載波頻點間隔100 MHz，單頻點載波測試時增益大于20 dB，頻帶內每個頻點的輸出P1dB點大于43 dBm，達到高于輸出平均功率37 dBm 時大于6 dB 的設計目標。當數字射頻信號平均輸出功率37 dBm 時，ACPR 小于-34 dBc，直流功耗最大不超過40 W，2 次及以上諧波抑制大于50 dBc，表明在（1～1.5）GHz 工作頻帶內寬帶射頻功率模塊線性度、模塊功耗、諧波失真指標都符合無線Mesh 通信系統的應用要求。

4 結束語

設計了一款無線Mesh 通信系統的寬帶射頻線性功放模塊，介紹了該模塊的總體設計架構，對驅動放大器、末級放大器的設計仿真及調試過程做了詳細描述。測試結果表明：

1）寬帶射頻功放模塊輸出的P1dB≥43 dBm，表明當平均功率5 W 射頻信號，峰均比PAR≥6 dB；

2）寬帶射頻功率模塊工作頻帶內選擇任意載波頻點輸出平均5 W 功率的數字射頻信號時，ACPR≤-34 dBc，表明該寬帶射頻功放模塊達到芯片的最佳性能，具有良好的線性度；

3）諧波抑制≥50 dBc，不會對無線Mesh 通信系統節點接收端的基帶數字解調造成干擾；

4）增益≥20 dB，直流功耗≤40 W，滿足整機的對增益和功耗的設計要求。