一種用于GSM/WCDMA/LTE的寬帶功率放大器

潘茂林，劉蕾蕾

(南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院，江蘇 南京 210023)

射頻功率放大器是現(xiàn)代移動(dòng)通信設(shè)備的關(guān)鍵組件之一，在一定程度上決定著設(shè)備的尺寸、功耗以及工作電壓［1］。通信制式和標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)以及信號(hào)調(diào)制方式的復(fù)雜化要求功率放大器要適應(yīng)更寬的帶寬、更高的線性和更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。高端蜂窩移動(dòng)設(shè)備要求同時(shí)覆蓋GSM/EDGE（2G）、UMTS（3G）和LTE（4G）等多個(gè)頻段，這就表明設(shè)備必須同時(shí)支持至少4種模式，覆蓋7個(gè)工作頻段［2］。因此，同時(shí)適用于GSM/WCDMA/LTE的寬帶的高線性射頻功率放大器成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。為了滿足這些需求，近年來(lái)提出了許多設(shè)計(jì)新穎的射頻功率放大器［3-8］。眾所周知，與GaAs HBT工藝相比，Si CMOS工藝更容易實(shí)現(xiàn)全集成和復(fù)雜的邏輯控制功能。有很多研究集中在用于移動(dòng)設(shè)備和無(wú)線局域網(wǎng)的全集成CMOS功率放大器［6-8］。然而，采用GaAs HBT工藝的功率放大器具有更高的功率密度，可以實(shí)現(xiàn)更高的效率和更低的非線性失真。因此，目前大多數(shù)商用的功率放大器采用GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)制造［3-5］。

為了實(shí)現(xiàn)高線性、寬帶寬和低成本的要求，本文設(shè)計(jì)并制造了一種用于GSM/WCDMA/LTE的寬帶功率放大器。

1 電路設(shè)計(jì)和制造

1.1 偏置電路

當(dāng)大功率的射頻信號(hào)加在HBT功率放大器的基極時(shí)，基極-發(fā)射極結(jié)二極管偏置點(diǎn)由于整流平均直流電流的增加而減小。因此HBT功率放大器的基極-發(fā)射極電壓降低導(dǎo)致跨導(dǎo)減小，使得功率放大器增益壓縮、線性度惡化［9］。

為了減少非線性失真，降低電路的溫度敏感性，該功率放大器采用了如圖1所示的有源偏置電路。

該偏置電路由晶體管Q2、整流電阻Rb、旁路電容Cb和發(fā)射極-基極二極管D1、D2組成。當(dāng)輸入功率增大時(shí)，該偏置電路的存在會(huì)使功率管Q1的基極-發(fā)射極電壓以及集電極電流增加，從而改善功率放大器的增益壓縮和線性失真。Q2和D1形成了一個(gè)電流鏡，為Q1提供偏置。兩個(gè)相同尺寸的結(jié)二極管D1、D2串聯(lián)使Q2的基極-發(fā)射極電壓翻倍，從而為功率管Q1提供足夠的偏置電壓。另外，當(dāng)功率管的溫度快速上升時(shí)，Rref和Rb的存在可以抑制電流隨溫度的升高不斷增大，對(duì)降低電路的熱敏感性有很大幫助。

1.2 寬帶輸出匹配設(shè)計(jì)

寬帶輸出匹配對(duì)多頻段覆蓋的功率放大器至關(guān)重要。其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)工作頻段的高效率、低失真?zhèn)鬏敽蛯?duì)高次諧波的抑制［10］?；谝陨险撌?，我們采用了如圖2所示的一種帶有二次諧波抑制作用的兩級(jí)低通輸出匹配電路。

圖2中串聯(lián)到地的C2fo和L2fo諧振在二次諧波，對(duì)二次諧波呈現(xiàn)出低阻抗，實(shí)現(xiàn)了諧波抑制作用，其中C2fo通過(guò)GaAs HBT芯片上的MIM電容實(shí)現(xiàn)，L2fo由基板的傳輸線實(shí)現(xiàn)。此外，電感L01、L02和貼片電容C01、C02組成了兩級(jí)低通匹配電路。需要特別指出的是電感L01、L02未使用貼片元件，而同樣是由基板上寬度為150μm、電感值約為0.5 nH和1.2 nH的傳輸線來(lái)實(shí)現(xiàn)。相比于貼片電感，傳輸線電感具有更高的Q值（大約可以達(dá)到40），可以盡可能降低輸出匹配的損耗，同時(shí)，省去兩個(gè)昂貴的貼片電感也降低了芯片制造成本。

圖3給出了輸出匹配電路損耗仿真結(jié)果。考慮到實(shí)際的基板會(huì)引入額外插損，仿真電路中添加了0.15 dB的衰減器。仿真結(jié)果顯示該寬帶匹配電路在工作頻率范圍內(nèi)的損耗為0.5～0.6 dB。由于2fo電路的存在，在整個(gè)二次諧波范圍內(nèi)展現(xiàn)出了很好的頻率抑制效果?？梢钥闯?，正如我們期待的那樣，該寬帶輸出匹配電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)了基頻范圍內(nèi)的低插入損耗和高次諧波的良好抑制效果，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

1.3 功率放大器電路

一種覆蓋GSM/WCDMA/LTE通信中Band-1/2/3/4/34/39頻段的功率放大器電路如圖4所示。電路采用兩級(jí)設(shè)計(jì)，其中Q1為驅(qū)動(dòng)級(jí)，Q2為功率級(jí)，輸入匹配為高通結(jié)構(gòu)，輸出匹配為低通結(jié)構(gòu)，級(jí)間采用類(lèi)Π 型匹配結(jié)構(gòu)來(lái)增大線性帶寬。此外，驅(qū)動(dòng)級(jí)Q1的集電極和基極之間添加了RC串聯(lián)負(fù)反饋來(lái)增加電路穩(wěn)定性。為了使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)引入了并聯(lián)到地的電容Cp1和Cp2來(lái)模擬版圖布局中集電極到輸出端路徑上的寄生電容。

為了驗(yàn)證芯片設(shè)計(jì)性能，本文用GaAs HBT工藝完成了該寬帶功率放大器的流片。圖5（a）所示為芯片的實(shí)物圖，其中，驅(qū)動(dòng)級(jí)的發(fā)射極面積為342 μm2，功率級(jí)的發(fā)射極面積為3 456μm2，芯片的總面積為0.755 mm×0.800 mm（包含輸入匹配，部分級(jí)間匹配和完整的偏置電路）。如圖5（b）所示為帶有封裝基板的芯片實(shí)物圖，該芯片的封裝尺寸為3 mm×3 mm。

2 功率放大器測(cè)量結(jié)果

如圖6所示為芯片評(píng)估板實(shí)物圖，使用羅杰斯板材設(shè)計(jì)評(píng)估板對(duì)功率放大器進(jìn)行了測(cè)試。工作電壓3.5 V，靜態(tài)電流為110 mA，測(cè)試調(diào)制信號(hào)為10 MHz 50RB QPSK LTE信號(hào)。圖7所示為小信號(hào)S參數(shù)的測(cè)量結(jié)果。由圖7可見(jiàn)，功率放大器的小信號(hào)增益S21在1 710～2 050 MHz的工作頻率內(nèi)約30 dB，輸入、輸出回波損耗S11、S22分別約為-10 dB和-13 dB，在二次諧波3 420～4 100 MHz的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好的諧波抑制效果。

圖8和圖9給出了LTE（4G）模式下功率放大器的大信號(hào)測(cè)試結(jié)果。圖8為功率增益和功率附加效率的對(duì)比圖，由圖8可知，當(dāng)輸出功率為28 dBm時(shí)，該功率放大器在1 710 MHz、1 900 MHz和2 050 MHz三個(gè)頻率的功率增益分別為29.95 dB、29.94 dB和29.14 dB，功率附加效率分別為37.2%，36.6%和35.6%。圖9為鄰信道泄露比（ACLR）的測(cè)試圖，由圖9可知，當(dāng)輸出功率為28 dBm時(shí)，該功率放大器在1 710 MHz，1 900 MHz和2 050 MHz三個(gè)頻率的ACLR分別為-37.7 dBc，-39.8 dBc和-37.1 dBc。另外，在輸出功率回退時(shí)，功率放大器的ACLR都小于-38 dBc。表1總結(jié)了本文與參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的測(cè)試結(jié)果對(duì)比。由表1可知，該功率放大器在犧牲了較小的功率附加效率下，實(shí)現(xiàn)了更高的輸出功率和更好的線性度。

表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)并制造了一種適用于GSM/WCDMA/LTE通信Band-1/2/3/4/34/39的寬帶功率放大器。通過(guò)采用級(jí)間多級(jí)匹配技術(shù)和輸出匹配二次諧波抑制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了良好的帶寬和線性性能。該功率放大器具有封裝尺寸較小、成本低廉、單芯片覆蓋多頻段等眾多優(yōu)點(diǎn)，可用于移動(dòng)通信設(shè)備的射頻前端模塊。