基于Sweet Spot的線性高效率功率放大器設(shè)計(jì)

何松柏，陳金虎，童仁彬，彭瑞敏

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基于Sweet Spot的線性高效率功率放大器設(shè)計(jì)

何松柏，陳金虎，童仁彬，彭瑞敏

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 成都 611731)

該文通過(guò)IMD Sweet Spot解決高效功率放大器的線性問(wèn)題，使功率放大器在保證一定線性指標(biāo)時(shí)還保持了高效率。IMD Sweet Spot是由受偏置電壓影響的小信號(hào)失真(弱非線性)和由器件的開(kāi)啟及飽和特性所決定的大信號(hào)失真(強(qiáng)非線性)相互作用的結(jié)果。通過(guò)改變偏置電壓可以控制其弱非線性，從而控制IMD Sweet Spot的產(chǎn)生。尋求合適的偏置電壓使得IMD Sweet Spot在增益開(kāi)始?jí)嚎s時(shí)產(chǎn)生，功率放大器可以有較高的效率，且線性較好?；谠撛碓O(shè)計(jì)的線性高效功放測(cè)試結(jié)果表明，在中心頻率2.2 GHz處輸出功率為37.1 dBm時(shí)，三階交調(diào)失真分量(IMD3)和五階交調(diào)失真分量(IMD5)均小于-30 dBc，此時(shí)漏極效率達(dá)到53.4%。

高效率; 交調(diào)失真; 線性; 功率放大器

隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展以及不斷增加的信息需求，使得通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量不斷提高，而射頻與微波功率放大器作為無(wú)線通信系統(tǒng)中最重要的有源模塊，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的性能有著非常重要的影響，其關(guān)鍵性能指標(biāo)直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能，也同樣關(guān)系著整個(gè)通信系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。通信質(zhì)量的保證由線性度衡量，功耗的指標(biāo)則由效率度量。

線性和高效這兩個(gè)指標(biāo)在實(shí)際設(shè)計(jì)中，往往二者不可兼得，呈現(xiàn)此起彼伏的矛盾狀態(tài)[1]。增強(qiáng)線性度的方法主要有兩種方案，一是采用外部線性化技術(shù)，在功率放大器前增加附加的電路來(lái)消除IMD；二是直接改進(jìn)功放的設(shè)計(jì)。前一種方案增加了成本及面積，且很難調(diào)節(jié)，所以直接優(yōu)化功放的設(shè)計(jì)引起更多人的興趣。在不采取外部電路消除交調(diào)失真的情況下，為了保證線性度，功率放大器必須工作在回退區(qū)，這樣效率就會(huì)大大降低。利用某個(gè)偏置以及輸入功率的條件出現(xiàn)大信號(hào)IMD Sweet Spot的方法，在保證效率的情況下實(shí)現(xiàn)高線性。

IMD Sweet spot是各種功率管的固有特性，是功率放大器弱非線性和強(qiáng)非線性相互作用的結(jié)果。前者取定于靜態(tài)工作點(diǎn)，影響電路的小信號(hào)失真；后者取決于器件的開(kāi)啟和飽和特性，主要影響大信號(hào)失真[2]。功率放大器的線性不僅受基波阻抗影響，二次諧波阻抗和包絡(luò)阻抗對(duì)其影響也很大[3]。本文根據(jù)IMD Sweet Spot產(chǎn)生原理[4]，合理地選擇偏置電壓控制IMD Sweet Spot的產(chǎn)生，并且通過(guò)控制包絡(luò)阻抗和二次諧波阻抗設(shè)計(jì)高效率高線性功率放大器。

1 基于Sweet Spot高效線性PA設(shè)計(jì)

1.1 偏置電壓的選擇

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，整個(gè)電路的三階交調(diào)失真電流可表示為：

式(1)囊括了小信號(hào)失真以及大信號(hào)失真的貢獻(xiàn)，可以看出當(dāng)輸入功率趨近無(wú)窮大時(shí)，三階交調(diào)失真分量收斂于一個(gè)恒定的功率，且與其輸出功率相位相差。其中代表IMD的小信號(hào)部分(弱非線性部分)貢獻(xiàn)，主要由偏置(靜態(tài)工作點(diǎn))決定，代表IMD的大信號(hào)部分貢獻(xiàn)，主要由開(kāi)啟區(qū)和飽和區(qū)的非線性導(dǎo)致。因?yàn)樾⌒盘?hào)與泰勒級(jí)數(shù)關(guān)系為：

(2)

式中，系數(shù)3和5隨偏置變化而變化。改變管子的偏置點(diǎn)就可以改變小信號(hào)IMD行為。只要小信號(hào)相對(duì)輸出功率表現(xiàn)出0°相位差，大信號(hào)IMD表現(xiàn)出180°的相位差，就可以產(chǎn)生IMD Sweet Spot。所以，可通過(guò)優(yōu)化偏置電壓來(lái)控制IMD Sweet Spot的產(chǎn)生。

圖1 IMD3和IMD5隨柵極偏置電壓的仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)選用Gree公司CGH40010F晶體管。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一在于選擇合理的偏置電壓。如果可以控制Sweet Spot在功放增益開(kāi)始?jí)嚎s時(shí)產(chǎn)生，那么就可在保證線性的同時(shí)還能得到較高的效率。當(dāng)漏極電壓為28 V，IMD3和IMD5隨柵極偏壓的仿真結(jié)果如圖1所示。在柵極偏置電壓為-3.2 V，此時(shí)線性最佳，IM3和IM5均低于-34 dBc。柵極偏置電壓為－3.2 V，其IM3和IM5隨輸入功率變化如圖2所示，可以看出當(dāng)輸入為22 dBm時(shí)，出現(xiàn)IMD3 Sweet Spot，且此時(shí)增益開(kāi)始?jí)嚎s。因此，偏置電壓選取柵極電壓為3.2 V，漏極電壓為28 V。

圖2 IMD3和IMD5以及增益隨輸入功率的變化

1.2 基于Sweet Spot線性高效功放電路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，線性不僅與基波阻抗關(guān)系密切，且包絡(luò)阻抗和二次諧波阻抗對(duì)線性的影響也很大。為了減小記憶效應(yīng)，包絡(luò)阻抗應(yīng)保持短路[5]。在柵極偏壓為-3.2 V，漏極偏壓為28 V時(shí)，通過(guò)ADS2009仿真軟件，在雙音5 MHz信號(hào)下，包絡(luò)阻抗設(shè)置為短路，三次及三次以上諧波阻抗設(shè)置為開(kāi)路，在保證輸出功率大于37 dBm，漏極效率大于60%，IM3、IM5均低于-32 dBc時(shí)進(jìn)行負(fù)載牽引和源牽引找出最優(yōu)負(fù)載阻抗值以及最有優(yōu)源阻抗值如表1所示。

表1 負(fù)載牽引得到的最佳負(fù)載阻抗和源牽引所得到的最佳源阻抗

基于以上最佳阻抗值，采用圖3a所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最后輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，所用底板為羅杰斯5880，介電常數(shù)r=2.2，厚度為0.787 mm。圖3b為輸出匹配阻抗隨頻率的變化曲線。仿真結(jié)果表明，包絡(luò)阻抗近似于短路，三次諧波阻抗接近開(kāi)路，而基波、二次諧波阻抗很接近于負(fù)載牽引得到的阻抗值。

輸入匹配網(wǎng)絡(luò)采用同樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整個(gè)電路包括晶體管以及輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)加上偏置網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。因?yàn)楣ぷ黝l率較高，偏置網(wǎng)絡(luò)為了避免使用電感采用了圖3所示折疊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠起扼流作用。考慮到電源紋波對(duì)線性的影響比較大[6]，柵極偏置利用大電容濾去低頻紋波，利用小電容濾去高頻紋波。

a. 輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

b. 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗變化曲線

圖3 匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗分布

圖4 基于Sweet Spots線性高效功放實(shí)物

2 測(cè)試結(jié)果

對(duì)圖4的高效線性功放進(jìn)行雙音間隔5 MHz測(cè)試，當(dāng)柵壓偏置在-3.2 V時(shí)，工作頻率為中心頻率2.2 GHz，其輸出功率Pout、增益Gain、漏極效率、PAE，以及IMD3、IMD5隨輸入功率變化曲線如圖5和圖6所示。

從圖6可以看出，IMD3在輸入功率22 dBm附近時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)低谷，此時(shí)IMD3為-40 dBc，出現(xiàn)IMD Sweet Spot，IM5維持在低于-30 dBc以下，此時(shí)在輸入為23 dBm增益開(kāi)始?jí)嚎s；當(dāng)輸入功率為23.9 dBm時(shí)，IMD3和IMD5均低于-30 dBc，此時(shí)其輸出功率為37.1 dBm(大于5 W)，增益大于13 dB，漏極效率為53.4%，如圖7所示。

維持輸入功率為23.5 dBm，柵壓為-3.2 V，IMD3、IMD5，以及輸出功率、漏極效率隨頻率的變化曲線如下圖8和圖9所示。工作頻率在2.17～2.23 GHz內(nèi)，IMD3和IMD5均小于-30 dBc，輸出功率在36 dBm以上，漏極效率維持45.8%～60.9%之間。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與近幾年國(guó)內(nèi)外線性高效率功放研究成果對(duì)比如表2所示。雖然文獻(xiàn)[7]帶寬很寬，但是效率以及線性較差。文獻(xiàn)[8]以及文獻(xiàn)[9]分別是2012年和2013年IEEE國(guó)際微波會(huì)議研究生高效率功率放大器設(shè)計(jì)競(jìng)賽的冠軍[10]，雖然效率比本文的試驗(yàn)高，但所用技術(shù)是Doherty功放，采取的是載波功放和峰值功放的線性抵消來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖5 輸出功率、增益和漏極效率、PAE隨輸入功率變化曲線圖

圖6 IMD3和IMD5隨輸入功率變化曲線圖

圖8 輸入為23.5 dBm柵壓為-3.2 V條件下，IMD3和IIMD5隨頻率的變化

圖9 輸入功率23.5 dBm，柵壓為-3.2 V下，輸出功率和漏極效率隨頻率的變化

表2 本文實(shí)驗(yàn)與國(guó)內(nèi)外報(bào)道的線性高效率功率放大器對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)控制柵極偏壓來(lái)控制Sweet Spot在增益開(kāi)始?jí)嚎s時(shí)產(chǎn)生，保證一定線性指標(biāo)下還能達(dá)到較高的效率?；赟weet Spot原理設(shè)計(jì)的線性高效功放測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)輸入為23.9 dBm時(shí)，能夠得到大于5 W的輸出功率和大于53%的漏極效率，并且此時(shí)IMD3和IMD5均小于-30 dBc。同時(shí)該功放工作在2.17 GHz～2.23 GHz時(shí)，IM3、IM5小于-30 dBc，輸出功率均大于36 dBm，漏極效率在45%～61%之間。

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編 輯 稅 紅

Design of Linear High-Efficiency Power Amplifiers Based on Sweet Spot Effect

HE Song-bai, CHEN Jin-hu, TONG Ren-bin, and PENG Rui-min

(School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

This paper utilizes intermodulation distortion (IMD) sweet spot effect to solve the linear problem of high-efficient power amplifier (PA), so that PA can maintain high levels of both efficiency and linearity.IMD sweet spot is the result of interactions between circuit's small-signal nonlinear distortion (weak nonlinearity) determined by the PA quiescent operating point and large-signal distortion effects determined by the device current turn-on and current saturation (strong nonlinearity). The weak nonlinearity can be controlled by changing the gate bias. By seeking appropriate bias voltage for IMD sweet spot generated at the beginning of the transistor gain compression, PA can achieve high efficiency and good linearity. Based on the effect of sweet spot, a high-efficiency linear PA has been designed. Test results show that at center frequency of 2.2 GHz, 37.1 dBm output powers, 53.4% drain efficiency can be obtained, while the third-order intermodulation distortion (IMD3) and the fifth-order intermodulation distortion (IMD5) are less than-30 dBc.

high-efficiency; intermodulation distortion (IMD); linear; power amplifiers

TN7

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.02.005

2014-02-16；

2014-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(61001032, 61271036)

何松柏(1972-)，男，博士，教授，主要從事射頻微波電路與無(wú)線通信系統(tǒng)等方面的研究.