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1、基于分段预失真线性化技术的AB类功放设计1 AB类功放的设计指标22 仿真平台23 功放模块的设计与仿真33.1 AB类功率放大器仿真设计33.1.1 直流分析33.1.2 功放稳定性43.1.3 负载牵引LoadPull和源牵引SourcePull63.2 匹配网络设计113.2.1 输入匹配网络设计11输出匹配网络设计123.3 整体分析134 功率放大器的非线性154.1 输出特性分析154.2 线性化技术165 预失真模块的设计与仿真165.1 预失真原理165.2 预失真放大器的分段线性化17分段线性化背景175.2.2 原理及模型框图185.3 仿真模块简介185.4 仿真结果分析
2、196结论23近年来，在无线通信领域中，为在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，提高频带利用的有效性，需要采用利用率更高的线性调制方式，如QPSK、16QAM等。这些正交调制信号的包络不是恒定的，包络的起伏经功率放大器后，产生交调失真，从而使功率放大器的输出信号产生频谱再生。这就对发射通道提出了更高的线性要求，而发射信道的非线性主要由功率放大器造成的，因此追求更高的频谱利用率就必须保证发信通道和射频末级放大器工作在线性区，线性化技术正是顺应这一要求而产生的。射频功率放大器的线性化技术包括：负反应、前馈和预失真等，其中预失真技术具有本钱低、功耗小、电路结构简单的特点，特别适用于直放站等较低功率的
3、线性放大器。在预失真射频功率放大器中，放大器性能的好坏主要取决于预失真器的特性，好的预失真器可以大大提高功率放大器的线性度，更好地抑制频谱再生。本文分析的是CREE公司的CGH40010F芯片，工作频率在1000MHz，通过Agilent公司的ADS2021射频仿真软件设计了AB类功率放大器，然后采用分段线性化技术设计仿真了预失真电路。1 AB类功放的设计指标本设计功率放大器的技术指标如下：输出功率：32dBm输入功率：21dBm中心频率为1GHz功率附加效率PAE41%三阶交调谐波抑制：32dB偏置电压：，Vds=28V选用放大器：CGH40010F2 仿真平台ADSEDA软件全称为Adva
4、nced Design System是美国Agilent公司开发的用于电子自动化设计的软件；ADS功能十分强大，包含时域电路仿真SPICE-Like Simulation、频域电路仿真Harmonic Balanee、Linear Analysis、三维电磁仿真EM simulation、通信系统仿真Communication System Simulation和数字信号处理仿真设计DSP；支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件。3 功放模块的设
5、计与仿真 AB类功率放大器仿真设计AB类放大器的偏置介于A类放大器与B类放大器之间。A类放大器在工作中可以对输入的信号全部线性化。但A类功放的缺点是,首先效率低,一般不大于25%,大量电能变成热能,在同功率情况下,电源供给常常比B类和AB类大得多。而且A类功放由于工作电流高,在同样输出功率时它的工作电源电压主要低得多,因此它的输出峰值电压就受到限制,它的输入电压也受到输出电压的放大器放大系数的限制。B类功放的优占是,效率很高,可到达75%以上,因此可以使用较小的功率管输出较大功率,另外推挽电路对抑制偶次谐波有作用,以减低非线性失真。AB类的效率远远大于A类放大器而略低于B类放大器。AB类放大器
6、的偏置可以使工作于推挽工作方式的两个晶体管的工作区间互有覆盖。这样,就可以对交越失真进控制，因此AB类是对A类和B类的一个改良型。AB类(甲乙类)放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类(甲类)；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供 给更多的电流。这样在AB类(甲乙类)状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类(甲类)或B类(乙类)。所以需要进行线性化处理。3.1.1 直流分析所谓直流分析，就是研究MOS管的栅极偏置电压与漏极电流对于MOS管工作状态的影响，即静态工作点。当输入信号为零时，电路处于直流工作状态，这些直流电流、电压的数值在MOS管特性曲线上
7、表示为一个确定的点，设置静态工作点的目的就是要保证MOS管的工作状态。根据CREE公司提供的GaN HEMTs晶体管模型库，在ADS2021软件中加载CREE CGH40010F模型，并测试MOS管的直流特性曲线。如图1所示的DC电路模型:图1 DC仿真电路图其中V_DC表示直流电源，I_Probe表示电流表，设定扫描的参数分别为漏极电压VDS和栅极电压VGS，测量在不同的栅极偏置电压VGS-35V下，扫描漏极偏置电压VDS056V对应的漏极电流IDS，获得一组关于MOS管CGH40010F静态工作时的特性曲线，如图2所示：图2 DC仿真结果图工程中给出的模型指标如下：The Gate vol
8、tage is -3.0 Vg -1.5, with pinch off 2.9 Volts. Vd is valid from 28V to 48V。从图1负载曲线可以看出此放大器工作在AB类，下面是对AB类的进一步分析。固定VDC=28V，仿真随着VGS的变化IDS电流的变化，在m1点，VGS=的时，IDS=28uA；在m2点，的时候，。两点之间近似为线性的，所以中心点m3应该在附近，此时取，VDC=28V，IDS=200mA这时的静态偏置可以将CGH40010F功放管工作在AB类状态。3.1.2 功放稳定性射频放大器的稳定性问题非常重要，是保证设备平安可靠运行的必要条件。在现实应用中，通
9、常会存在信号源阻抗或负载阻抗与射频放大器网络不匹配的情况，产生反射，有时产生自激，损坏设备。所以分析射频放大器的稳定性有很重要的意义。在放大器设计中改善稳定性的措施通常是在输入或输出端参加有耗匹配网络，这通常是以牺牲增益为代价换取稳定性。但是，如果把有耗网络参加输出匹配网络中，功放的输出功率将会大大减小，这对于功率放大器来说是极不可取的，本设计中对功放稳定性测量电路图如图3所示，图3为测量CGH40010F功放的稳定性图3 测量CGH40010F功放稳定性电路图这个仿真图中ClassAB40010f模型内部结构如图4所示：图4 ClassAB40010f模型内部结构图在仿真中采用自制的Clas
10、sAB40010f模型，此时仿真输出功放的稳定图如图5所示：图5 仿真输出的功放稳定图从图5中可以看出，在180MHz6GHz之间后系统稳定系数大于1，是稳定的。这个的功放设计的工作中心频率为1GHz，在180MHz6GHz之间，在此区间是稳定的，下一步就是在稳定的频带范围内仿真。3.1.3 负载牵引LoadPull和源牵引SourcePull功率放大器的输出功率是最重要的指标之一。为了让有源器件输出功率到达最大，微波功率放大器一般工作在大信号状态下，表现出很强的非线性特性，产生了一系列的失真。传统的基于线性理论的小信号放大器设计方式已经不适用于微波功率放大器的设计。负载牵引(LoadPull
11、)是设计微波功放领域一种流行的设计方法，该方法可以在没有大信号S参数的情况下，通过不断变化负载阻抗(同时保证输入阻抗匹配)，找到可以让有源器件输出功率最大的输出阻抗，同理也可以找到有源器件输出效率最高的输出阻抗。在Smith圆图上将相同的功率增益对应的负载点连起来得到等增益圆，就能近似地反映待测电路所能够提供的最大输出效率和最大功率输出。源牵引(SouxeePull)与负载牵引(LoadPull)相似，通过可调的测量设备测量在不同输入阻抗条件下有源器件的输出功率和效率，以获得在最大输出功率时的输入阻抗与最高输出效率时的输入阻抗。负载牵引(LoadPull)设计许多年以来一直是射频(RF)和微波
12、功率放大电路设计的支柱方法。负载牵引(LoadPull)对于大功率功放设计是必需的，尤其是对于宽频带、高效率等要求较高的设计，但负载牵引(LoadPull)系统的搭建很复杂，要求高，造价昂贵。随着EDA技术的开展，利用有源器件的非线性模型，进行仿真负载牵引LoadPull)和源牵引(SourcePull)已成为功率放大器设计的新趋势。本设计中借助ADS软件提供的电路模型，构建负载牵引(LoadPull)和源牵引(SourcePull)网络，测量在最大输出效率和最大输出功率条件下，功率放大器的最正确输入阻抗与最正确输出阻抗。源牵引SourcePull和负载牵引Loadpull采用迭代的牵引思想。
13、设i表示牵引的次数，Zo,i表示第i次负载牵引Loadpull得出的最正确输出阻抗，ZI,i表示第i次源牵引Sourcepull得出的最正确输入阻抗。测量时将第i次负载牵引Loadpull得到的最正确输出阻抗Zo,i，带入到第i+1次源牵引Sourcepull中，得到第i+1次最正确输入阻抗ZI,i+1，再将ZI,i带入第i+1次负载牵引Loadpull中，求得第i+1次最正确输出阻抗Zo,i+1，如此反复屡次迭代屡次之后，就可以分别得到收敛的最大输出功率与最大输出效率对应的输入、输出阻抗值，如图12所示：Yesno将源阻抗带入负载牵引 将负载阻抗带入源牵引最大输出功率时输出阻抗最大输出效率时
14、输出阻抗源牵引最大输出功率时输出阻抗最大输出效率时输出阻抗是否收敛负载牵引最正确输入、输出阻抗图12 迭代牵引方法流程图负载牵引(LoadPull)与源牵引(SourcePull)的精度，与设定的范围以及取得点的数目有关，经过56次迭代牵引后，输入与输出阻抗开始出现收敛。图7所示的源牵引(SoureePull)局部与图8所示的负载牵引(LoadPull)局部，在Smith圆图上绘制两种曲线，粗曲线表示功率放大器的等效率圆，细曲线表示功率放大器的等功率圆，其中PAE_step表示等效率圆之间的效率间隔，Pdel_step表示等功率圆的功率间隔，NumPAE_line表示绘制的等效率圆的个数，Nu
15、mPdel _line表示绘制的等功率圆的个数。设计中先进行负载牵引得出最正确输出阻抗，然后将最正确阻抗带入源牵引仿真电路中，找到最正确源牵引输入阻抗。源牵引(SourcePull)电路和负载牵引(LoadPull)的仿真电路分别如图6和图8所示。源牵引(SourcePull)电路与负载牵引(LoadPull)电路共分为两个局部可调源与可调负载，其中可调源用于推动待测电路，提供功率放大器所需要的功率增益，通过可调负载来测量在该增益条件下的输出功率与输出效率图10与图11中， Zlp_Eqn表示源牵引(sourcePull)中的源可调负载；S1P_Eqn表示负载牵引(LoadPull)中的可调负载。设置平均输入功率为24dBm，工作频率为1GHz，漏极偏置电压为28V，栅极偏置电压为。对于源牵引SourcePull)设置S11的扫描中心S11_center=-0.5+j*0.0，扫描半径S11_rho=0.7，扫描的点数为200个，特性阻抗为50。对于负载牵引(LoadPull)设置S11的扫描中心S11_center=-0.2，扫描半径S11_rho=0.3，扫描的点数为100个，特性阻抗为50。当设置为其他参数时，在后面的仿真过程中会出现错误。图6 源牵
