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1、双频带功率放大器设计与仿真分析摘要：第五代移动通信（5G）技术已经慢慢来临，但是这些移动通信系统的工作频段各不相同。因此，不同的频段在工作时需要对应不同的基站设备，必然会造成对大量资源的浪费。在这种情况下，无线通信基站的多频段使用技术占据非常重要的地位，同时对于双频甚至多频带功率放大器的设计要求也越来越紧迫。本文在此背景下从5个方面即静态工作点的仿真、功放负载的选取、功放匹配电路的设计、硬件实物的加工测试以及功放的非线性补偿详细介绍了整个设计过程。双频点的临近信道功率比（AdjacentChannelPowerRatio，ACPR）都能满足小于-46.7dBc的要求。关键词：功率放大器；工作频
2、段；匹配电路；ACPR；静态工作点1双频带功率放大器的设计分析本文设计一款基于现代移动通信工作频段的射频功率放大器（简称功放）。从目前的基站功放使用情况来看，具有双频段功能的射频功放没有涉及信号谐波对无线通信的影响，其原因为基站射频功率放大器的工作状态是AB类1。由于信号分解的谐波分量在经过功率放大器时分会严重影响功率放大器的工作效率以及功率放大器的增益因子，因此为有效提高射频功率放大器的工作效率和增益因子，必须抑制信号谐波分量的影响。考虑到工程应用中的实现问题，在实际工程应用场合一般仅考虑低次信号谐波分量的影响2。该做法可以有效简化功放输出匹配电路的设计，同时还能够逼近理想化的工作效率。因此
3、，本文在功放设计时重点解决传输信号的二次谐波分量，在功率放大器的输出匹配端添加谐波控制电路，实现基于谐波控制的双频带功率放大器3。本文设计的双频带功放参数如下所示：工使用频率为2.6GHz和3.45GHz；单频带输出功率大于10W；每个频段的漏极效率大于等于62%；每个频段ACPR小于等于-46.7dBc。因为本文所设计的功率放大器的工作中心频率分别为2.6GHz和3.45GHz，所以在设计之初应该选择工作频率范围涵盖两个设计频点的功放晶体管，选择器件的过程还应综合考虑功放单元的损耗以及工作效率问题，解决上述问题应该采用工作时接近饱和的功放晶体管4。其中，氮化镓功放管（GaN）具有较高的工作频
4、带及较高的输出效率，能够满足本文设计高频率高效率功率放大器的指标要求5。2双频带功率放大器的ADS电路仿真分析2.1静态工作点仿真本次仿真设计选择Cree公司的CGH40010型号的功率放大器管，该型号管的内部还未进行匹配电路设计，CGH40010型号管的工作电压是28V，且工作带宽能够满足设计要求6。通过GaN功放管的静态直流仿真结果并结合参考CGH40010的数据资料，该管的漏极工作电压为设置在28V，栅极工作电压为设置在-2.8V。在此基础上设置的静态工作电流为171mA，保证该管工作于AB类。2.2功率放大器负载选取由于本文采用谐波分量控制电路来控制谐波信号，因此在进行双频带功率放大器
5、匹配电路设计前先考虑连续F类功率放大器7。此类功率放大器是在一般F类功放的基础上进行了设计空间扩展，能够极大简化电路设计的复杂度。在实际移动通信工程实现中，抑制较高次信号谐波分量会导致匹配电路设计的难度8。因此，在工程应用中为了达到较为理想的效果，一般情况下只需要对较低谐波分量，如二次谐波分量和三次谐波分量进行有效控制9。该方法会避免功放产生大量的功率消耗以及工作效率不高的问题。接下来，对连续F类功放进行设计分析，仅涉及三次谐波归一化幅度的漏极电压Vds()、电流Ids()的计算表达式如下式所示：F类功放的漏极电压与漏极电流交叉部分很少，因此此类功放的工作效率高于一般F类功放10。2.3匹配电
6、路设计本文利用信号谐波分量短路点的方法，在进行谐波控制电路设计时对所需信号谐波点进行短路设置，从而能够有效防止后端电路对信号谐波阻抗的干扰。同时，借助微带线求解谐波分量阻抗的最佳阻抗值，设计出两频点相互独立的谐波分抑制电路。对于信号的一次谐波电路匹配模块不进行谐波分量控制，从而能够保证设计功放的工作效率和简洁性。本文设计的谐波分量抑制电路如图1所示。分析图1可知，传输线Za应该匹配到频点f1在S0时的虚部阻抗，借助微带线的分析理论能够将短路点阻抗值映射到实际的虚部阻抗值。计算关系如下式所示：)tan()10aa（ZjfZ=（4）式中，Z0(f1)表示频点在f1处的阻抗大小。在前面讨论的基础之上
7、，设计出本文的双频带功放的谐波分量抑制电路参数，如表1所示。在设计完功放输出匹配电路后，进行电路版图的设计。在ADS2019电路级仿真平台中，通过版图及电路原理图的迭代仿真，获取移动通信双频带功率放大器输出信号匹配版图。3双频带功率放大器的实物仿真测试在ADS2019电路仿真环境中进行功放的原理图与版图的仿真设计，本文设计的双频带功率放大器的各项参数已经确定，接下来进行电路版的相关工作。考虑到该功率放大器的工作频率很高，为了避免加工制作时材料引起的电路损耗及降低工作效率的问题，需在选择功率放大器的介质基板时，使用损耗正切角不大的Rogers5880板材。在完成双频带功率放大器的实物制作后，为了
8、验证该功放的工作特性和效果，接下来进行实物仿真测试工作。搭建的实物测试平台，测试的主要设备包括：信号频谱分析仪N9010a、矢量信号网络发生器SMBV100a、万用表、工作电源、驱动功率放大器及衰减器。通过对功率放大器设置不同的工作中心频率，逐步增加功率放大器的输入功率。同时，实时记录对应的功放输出功率和直流供电功率大小，在仿真环境下计算两个中心频率的漏极效率。在完成双频带功放工作性能的实物测试后，虽然能够满足功放设计的各项指标，但是当该功率放大器工作在饱和工作区时，其输入与输出特性曲线的线性特性不佳，这样会对临近信号的频谱造成一定的影响。为了同时解决所设计功放的线性问题，本文利用数字预失真技
9、术（DigitalPredistortion）补偿双频功放的非线性。在进行双频功放补偿测试时，功放输入信号采用4G的LTE宽带信号。对两种工作中心频率的功放分别进行非线性补偿仿真测试，数字预失真前后的仿真结果如图2图4所示，通过在ADS2019中导出输出数据计算出补偿前后的临近信道干扰值，对中心频率2.6GHz的功放预失真补偿非线性达到19dB。中心频率3.45GHz的功放预失真补偿非线性达到14dB。通过实际实物测试更进一步证明本文设计的双频带功率放大器能够达到预期的指标要求，同时两个频点的临近信道功率比（ACPR）都能满足小于-46.7dBc的要求。4结语为解决移动通信系统的工作频段各不相
10、同的问题，本文设计了一款基于谐波控制的双频带功率放大器，从5个方面即静态工作点的仿真、功放负载的选取、功放匹配电路的设计、硬件实物的加工测试、功放的非线性补偿详细介绍了整个设计过程。选用4G移动通信信号测试对功放的非线性补偿问题，通过预失真矫正后的功放ACPR满足小于-46.7dBc的要求，为在5G移动通信系统中基站功放的实际应用打下坚实的硬件仿真基础。参考文献1潘和平.基于负载源牵引法的微波大功率自动测试系统的研制与应用D.西安:西安电子科技大学,2010:23-24.2闫彩明,何松柏,胡哲彬,等.宽带通信中的射频功放建模及预失真器设计C/2011年全国微波毫米波会议论文集,2011:882
11、-885.3张小梅,胡方明,任爱峰.基于数字预失真技术的功放线性化研究J.计算机仿真,2012,29(7):393-396.4应祥岳,徐铁峰,刘太君,等.基于安捷伦高性能仪器数字预失真软件的开发J.实验技术与管理,2013,30(4):74-77.5张小梅,胡方明,任爱峰.基于数字预失真技术的功放线性化研究J.计算机仿真,2012,29(7):393-396.6南敬昌.记忆效应非线性功放扩展模型分析与构建J.电子与信息学报,2008,30(8):20-23.7陈照华.数字预失真功放的侦测接收通道设计J.电子设计技术,2007(7):92.8常树茂.用ADS进行功率放大器仿真设计J.西安邮电学院学报,2010,15(1):82-85.9ULRICHLOHDE,DAVIDP,NEWKIRK.无线应用射频微波电路设计M.张玉兴,文继国,译.北京:电子工业出版社,2014:66-67.10DAVIDMPOZAR.微波工程(第3版)M.张肇仪,周乐柱,吴德明,等,译.北京:电子工业出版社,2010:41-42.
