高效率基站功放的研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

林錫貴

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，通信行業(yè)取得重大進(jìn)展，但是因?yàn)橐苿?dòng)帶寬的限制而使得帶寬被大規(guī)模削減，大部分新的解決方案都依靠繁瑣的調(diào)制手段來降低相關(guān)帶寬的消耗，在諸多相關(guān)方案的操作中均是通過非恒包絡(luò)的改善渠道，該方式使得射頻信號(hào)所對應(yīng)的峰均比變的范圍進(jìn)行了拓寬，功率放大器具備了更寬的外輸變化數(shù)值，其對相關(guān)設(shè)備的線性度標(biāo)準(zhǔn)也更加苛刻。線性度的增加通常依靠功率返還的操作進(jìn)行作業(yè)，但是功率返還肯定會(huì)引發(fā)放大設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的大幅度下降。Dherty制定的高性能措施可以有效地克服這一障礙，Dherty方案可以將放大設(shè)備在極大的功率波動(dòng)區(qū)域內(nèi)確保其仍有高性能的輸出。

Dherty方案里的放大設(shè)備能夠有效地解決并促進(jìn)功率放大設(shè)備在功率返還時(shí)性能的提升，將其和前饋以及預(yù)失真線路相結(jié)合，能夠在線性度以及性能兩者之間獲得優(yōu)化考量，Dherty方案的核心理論是把接收信號(hào)的平均區(qū)域和峰值區(qū)域先分別完成放大，最終再重新進(jìn)行合成，利用這種形式得到比以往要高的效率和性能。

1 功率放大器的基本原理和構(gòu)造論述

Dherty構(gòu)造的原理開始是由貝爾實(shí)驗(yàn)所的W·H Dherty進(jìn)行闡述分析的。通常意義上的Dherty結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Dherty結(jié)構(gòu)框圖

一般需要兩個(gè)相互平行的放大設(shè)備結(jié)合，其中一個(gè)是主功率放大設(shè)備，也叫載波功率放大設(shè)別，第二個(gè)稱為輔助功率放大設(shè)備，也叫峰值功率放大裝置。在進(jìn)行組合的時(shí)候，主功率放大器偏置在AB區(qū)域，而輔助功率放大器偏置在C區(qū)域。主功率放大器后部分以及輔助功率放大器的前部分都配置了λ／4的微帶連接線，各自產(chǎn)生阻抗波動(dòng)的效果以及相位穩(wěn)定的功能。其中兩條支路通過λ／4微帶連接線完成匯合同時(shí)把放大后的信號(hào)完成外送。如果主放大設(shè)備幾乎飽和時(shí)輔助放大裝置就會(huì)對外輸送電流，通過這種方式降低主放大設(shè)別的對外阻抗，最終就可以使得主放大器在接近飽和時(shí)放出大量的電流，該現(xiàn)象一般能用“有源負(fù)載牽引”[1]的觀點(diǎn)來進(jìn)行分析。通過該方法能夠使主放大設(shè)備在飽和輸出區(qū)域的功率返回到8 dB的狀態(tài)下取得與負(fù)載飽和功率相同的效果和性能。

Dherty結(jié)構(gòu)放大裝置的關(guān)鍵理論分析能夠按照其運(yùn)行的3種不同的形式完成研究，依次是低功率運(yùn)行模式、中等功率運(yùn)行模式、高功率運(yùn)行模式，如圖2所示。

2 功率放大器設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和關(guān)鍵理論研究

功率放大裝置的用途關(guān)鍵是將高頻信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)大直到接收設(shè)備所規(guī)定的功率范圍，其對功放器運(yùn)行的效率性能和功率都得符合相關(guān)的規(guī)定和限制：外輸功率和綜合性能都必須盡可能高，而且功率放大設(shè)備在頻率范圍內(nèi)一定要保證運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，而達(dá)到上述全部要求于與源阻抗、相關(guān)載荷阻抗等有直接關(guān)聯(lián)。

載荷區(qū)域輸出功率和功率放大器二者的功率比值，即基站功放設(shè)備的功率對應(yīng)增加值，一般至少需要達(dá)到8 dB[2]?；フ{(diào)混合數(shù)值指若干個(gè)信號(hào)疊加穿越功率放大器時(shí)所增加的附加數(shù)值，通常這也是功率放大器方案中一定要參考的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。它是由于功率放大器的非線性而產(chǎn)生的，具體數(shù)值利用交調(diào)系數(shù)進(jìn)行顯示。另外這里的三階交調(diào)類別以及基波信號(hào)的參數(shù)在頻率范圍上極其相似，所以也要強(qiáng)調(diào)提高對IMD3，也即三階交調(diào)數(shù)據(jù)方向的關(guān)注和研究分析。

圖2 3種模式下的Dherty功放

3 促進(jìn)基站功率放大設(shè)備效率和性能提升的設(shè)計(jì)流程

該基站建設(shè)過程中高效率功率放大器的初步設(shè)計(jì)依靠的是LDMOS晶體管MRF282S，這個(gè)組成構(gòu)件是N溝道的優(yōu)化版本，其經(jīng)過了相關(guān)改良并且大部分是在AB類以及A類的PCS和PCN基站中進(jìn)行現(xiàn)場運(yùn)行和推廣，它的運(yùn)行頻率最高可以突破2 800 MHz，因此該半導(dǎo)體晶體管通常特別在FM.CDMA和非單一載波的功率放大器初步設(shè)計(jì)中得到大規(guī)模應(yīng)用實(shí)施[3]。而且本文涉及的設(shè)計(jì)方案運(yùn)用該種類的晶體管還能夠極大促進(jìn)功率放大器的增益的提高，同時(shí)其初步投資很低，擁有優(yōu)異的線性度，因此具有很大的推廣相和操作可行性。

3.1 確定相關(guān)穩(wěn)定工作點(diǎn)

穩(wěn)定正常工作點(diǎn)對功率放大器的現(xiàn)場運(yùn)行過程會(huì)起到相當(dāng)程度的作用，本設(shè)計(jì)方案中的穩(wěn)定工作點(diǎn)的獲得初步按照FET_curve_tracer的相關(guān)模式，然后把飛思卡爾模型和其進(jìn)行結(jié)合，最后使用MRF282S，在ADS中形成對應(yīng)的支流掃描模式，同時(shí)模擬對應(yīng)模型完成仿真作業(yè)，通過這種方式獲取支流特性圖像曲線。依據(jù)相關(guān)的仿真數(shù)據(jù)最終獲取穩(wěn)定的工作點(diǎn)、柵極電壓等參數(shù)信息。

相關(guān)設(shè)計(jì)電路的預(yù)定參數(shù)為：頻率范圍從2 560～2 720 MHz，另外其輸出功率上限設(shè)定為140 W，當(dāng)功率回退到7 dB時(shí)，其對應(yīng)的PAE設(shè)定為大于50%，同時(shí)該電路可使用到LTE-TDD的基站功率放大設(shè)備的模塊中。

3.2 工作參數(shù)研究及其穩(wěn)定性

通常為了使功率放大器可以在運(yùn)行頻段范圍中保證長期的現(xiàn)場作業(yè)穩(wěn)定，就一定要使其運(yùn)行頻率維持在一個(gè)定值。一般來說要確認(rèn)是不是符合穩(wěn)定工作狀況的規(guī)定要根據(jù)功率放大器的穩(wěn)定因子完成相關(guān)對比分析。

該設(shè)計(jì)方案初步依據(jù)仿真獲取穩(wěn)定的工作點(diǎn)，利用對相關(guān)靜態(tài)工作點(diǎn)運(yùn)行流程中獲得的電路圖可以得出其穩(wěn)定因子沒有達(dá)到1，因此功率放大器在該情況下就不能確保運(yùn)行的穩(wěn)定性和科學(xué)性。為了使得功率放大器的現(xiàn)場運(yùn)行的穩(wěn)定性能，此次設(shè)計(jì)選擇在輸入端把電阻和相關(guān)電容一起進(jìn)行并聯(lián)的形式當(dāng)作確保運(yùn)行穩(wěn)定的保證，在進(jìn)行了仿真試驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)方式可以促進(jìn)功率放大器的運(yùn)行穩(wěn)定性能，同時(shí)其構(gòu)造十分簡便且便于進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

綜上所述，文章具體分析概括了常見的一種對稱Dherty構(gòu)造，另外探討研究了全局性對稱Dherty方案的設(shè)計(jì)流程。依據(jù)仿真試驗(yàn)的結(jié)果闡述了對稱構(gòu)造的科學(xué)性和其優(yōu)越性能，其最關(guān)鍵的區(qū)域就是比以往功率放大器在整體輸出功率以及效率上均有提高和改善。另外，這種對稱構(gòu)造Dherty方案容易操作也是其一個(gè)優(yōu)勢。

利用負(fù)載牽引的形式針對高效率的基站功率放大設(shè)備完成了相關(guān)設(shè)計(jì)，并依靠ADS仿真設(shè)備完成了其仿真實(shí)驗(yàn)，從最終的仿真數(shù)據(jù)能夠得出結(jié)論本次設(shè)計(jì)是合理可行的，該設(shè)計(jì)可以將基站功率放大設(shè)備的大部分運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行改善，降低研發(fā)的整體時(shí)間，極大地減少了投資費(fèi)用，拓寬了基站覆蓋面積，同時(shí)把其設(shè)計(jì)成效盡可能地展現(xiàn)出來，具有大范圍推廣的科學(xué)合理性。