基于CGH40010F的連續(xù)F類功率放大器仿真與設(shè)計(jì)

程暉

摘? 要： 針對(duì)通信技術(shù)對(duì)通信基站射頻前端指標(biāo)要求日益增高的問(wèn)題，為了設(shè)計(jì)更大帶寬、更高效率的功率放大器，文中對(duì)連續(xù)F類功放的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行深入研究?；贑REE公司的CGH40010F高功率管完成了功放的設(shè)計(jì)、仿真、制作與調(diào)試。在仿真軟件的選擇上，文中使用的仿真環(huán)境為ADS;而在功放制作加工上，文中使用FR4射頻板。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的功放在1.7～2.7 GHz工作帶寬內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)大于39.5 dBm的輸出功率和大于65%的效率。同時(shí)，為了解決功放的效率與線性度間的矛盾，對(duì)功放進(jìn)行預(yù)失真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在2.6 GHz的工作頻點(diǎn)，功放在33 dBm輸出時(shí)，ACPR可以從-34.5/-33.6 dBc 降低為-47.4/-48.3 dBc。

關(guān)鍵詞： 功率放大器; 設(shè)計(jì)理論研究; CGH40010F; 通信基站; 連續(xù)功放; 放大器設(shè)計(jì)

Abstract： The development of communication technology results in a higher demand for the RF front?end index of communication base station. In order to design a power amplifier with larger bandwidth and higher efficiency， the design theory of class?F continuous power amplifier is studied in this paper. Design， simulation， manufacture and debugging of the power amplifier are completed on the basis of high power transistor CGH40010F made by Cree Company. In the selection of simulation software， the simulation environment used in this paper is ADS. In the production and processing of power amplifier， FR4 RF board is used. The testing results show that the designed power amplifier can achieve the output power of more than 39.5 dbm and the efficiency of more than 65% in the working bandwidth of 1.7～2.7 GHz. In order to solve the contradiction between the efficiency and linearity of the power amplifier， the predistortion experiment was carried out. The experimental results show that when the output of the power amplifier is 33 dBm at 2.6 GHz， the ACPR can be reduced from -34.5 / -33.6 dBc to -47.4 / -48.3 dBc.

Keywords： power amplifier; design theory research; CGH40010F; communication base station; continuous power amplification; amplifier design

0? 引? 言

通信系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)通信基站中的各種射頻器件有了更高的要求。作為通信基站中的主要耗能設(shè)備，功率放大器是射頻前端的重要器件之一，其負(fù)責(zé)放大射頻信號(hào)，保證射頻信號(hào)有足夠的功率發(fā)射[1?3]。功率放大器的發(fā)展有著以下幾個(gè)明顯趨勢(shì)：

1） 效率不斷提高。功放的效率決定通信基站的耗能，影響基站的通信規(guī)劃，是功放最重要的指標(biāo)之一[4?5]。

2） 帶寬、功率不斷提高。功放的輸出功率提升，意味著更高的通信穩(wěn)定性、更快的通信速率，同時(shí)可以依靠更少的通信基站覆蓋相同的通信區(qū)域[6?7]。

基于以上分析，本文對(duì)功放的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究、分析。重點(diǎn)研究了連續(xù)類功放的設(shè)計(jì)理論，然后結(jié)合指標(biāo)要求設(shè)計(jì)工作頻段在1.7～2.7 GHz的寬頻帶功率放大器。功放使用CREE公司的CGH40010F高功率晶體管，實(shí)現(xiàn)頻帶內(nèi)39.5 dBm以上的功率輸出，其功放效率大于65%。同時(shí)，為了解決功放的效率與線性度間的矛盾，本文對(duì)功放進(jìn)行預(yù)失真實(shí)驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，功放在33 dBm輸出時(shí)，ACPR可以達(dá)到-47.4 dBc/-48.3 dBc。

1? 設(shè)計(jì)理論

1.1? 逆F類功率放大器

功率放大器是通信系統(tǒng)射頻前端的重要器件之一，其負(fù)責(zé)將射頻信號(hào)放大到指定的功率，然后由天線進(jìn)行發(fā)射。功率放大器的性能關(guān)系到發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量，對(duì)于通信的完成起到極其重要的作用。常見(jiàn)的功率放大器種類有：A類、B類、C類、D類、E類和F類。由于通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，對(duì)于功放的指標(biāo)要求也愈加嚴(yán)苛。A類、B類、C類功放因其效率低下，已逐漸在通信系統(tǒng)中淘汰。F類功放具有較大的工作帶寬與工作效率，同時(shí)在布板上有較小的體積和成本，因此得到了廣泛的應(yīng)用。F類功放在工作時(shí)，通過(guò)依靠不同的諧波阻抗，構(gòu)建漏極電壓、電流波形，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率。在工作時(shí)，F(xiàn)類功放工作在半導(dǎo)通狀態(tài)[8?10]。漏極電壓隨諧波數(shù)量變化情況如圖1所示。

從圖1可以看出，漏極電流根據(jù)諧波阻抗變換，控制晶體管在奇次諧波時(shí)開路、偶次諧波時(shí)短路，從而實(shí)現(xiàn)漏極電壓波形近似為方波。此時(shí)，電壓與電流的波形在時(shí)域上互補(bǔ)交疊，可以在理論上實(shí)現(xiàn)效率的100%?？紤]有限次諧波，電壓的波形可以寫成：

根據(jù)式（2）可以在圖1中得到不同諧波次數(shù)下的電壓波形?？梢钥闯觯S著諧波次數(shù)的增加，電壓波形越來(lái)越接近方波;電壓波形的零點(diǎn)數(shù)與諧波次數(shù)m相等。零點(diǎn)的位置，可以由式（3）確定。

式中，r=1，2，…，m。當(dāng)僅考慮3次諧波，即m=2時(shí)，根據(jù)式（3）可以得到兩個(gè)零點(diǎn)分別為[-π6]和[π6]。此時(shí)，有：? ? ? ? [V-π6=1-V1cos-π6-V3cos-π2=0Vπ6=1-V1cos-π6-V3cos（-π2）=0V-π6=0+V1sin-π6+3V3sin-π2=0Vπ6=0+V1sinπ6+3V3sinπ2=0] （4）

當(dāng)考慮5次諧波，即m=3時(shí)，用同樣的方法可以得出效率為94.8%?？煽闯觯?dāng)F類功放的諧波次數(shù)增加，其效率會(huì)趨近于100%。

1.2? 連續(xù)型F類功率放大器

F類功放理論上有著較高的效率，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)較大的帶寬[11?12]。在F類功放的基礎(chǔ)上，重新定義電壓波形如下：

式中，電壓波形引入了4次諧波分量，但由于4次諧波項(xiàng)僅有正弦項(xiàng)，只會(huì)引入抗性負(fù)載，而不會(huì)消耗功率。因此，在該波形下的新功放和式（2）具有相同的輸出功率與效率。

將3次諧波下的零點(diǎn)代入式（7），整理得到矩陣形式的方程組：

式中，[Ropt]是優(yōu)化后的最優(yōu)基波阻抗。對(duì)于連續(xù)類F功放，其奇次諧波開路、偶次諧波為純阻抗。從式（11）可以看出，連續(xù)類F功放在保證效率的同時(shí)，擁有較高的帶寬。

2? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1? 功放指標(biāo)

功放是射頻系統(tǒng)內(nèi)的主要耗能設(shè)備，將直流電轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)的功率。功放效率是衡量功放性能的重要指標(biāo)之一，其定義如下[13?14]：

本文在設(shè)計(jì)功放時(shí)，除了功放的效率以外，還關(guān)注了以下線性度指標(biāo)。

圖3為功放輸出功率與1 dB壓縮點(diǎn)定義的示意圖。由于晶體管的飽和特性，功放的輸出功率并不是一直與輸入功率成線性關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)實(shí)際輸出的功率與理想狀態(tài)相差1 dB時(shí)，定義此時(shí)的輸入功率為功放的1 dB壓縮點(diǎn)。

圖4為功放三階節(jié)點(diǎn)示意圖。三階節(jié)點(diǎn)包括輸入的三階節(jié)點(diǎn)IIP3和輸出的三階節(jié)點(diǎn)OIP3。

IIP3、輸入功率Pin與IMD3間存在如式（13）所示的關(guān)系。利用該關(guān)系，可以通過(guò)測(cè)量輸入功率的基波功率、三次諧波功率和輸入功率快速計(jì)算出IIP3。

圖5給出了功放鄰道功率泄露比ACPR的定義示意圖。具體的定義方式為：

2.2? 功放仿真與測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的功放工作頻段為1.7～2.7 GHz，使用的功放管為CREE公司的CGH40010F。在ADS中搭建的功放拓?fù)鋱D如圖6所示。

在仿真時(shí)，設(shè)置CGH40010F的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

圖7給出了本文設(shè)計(jì)的功放實(shí)物圖與測(cè)試平臺(tái)。在測(cè)試中，矢量信號(hào)發(fā)生器VSG負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的生成，頻譜分析儀VSA負(fù)責(zé)功放輸出信號(hào)功率的測(cè)量。由于VSA的輸入功率不能過(guò)高，在功放的輸出端接入一個(gè)工作頻率為5 GHz以下的衰減器。功放總體使用雙電源供電。

圖8給出了功放輸出功率和漏極效率的仿真與實(shí)際測(cè)試結(jié)果。從輸出功率看，功放在1.7～2.7 GHz之間，仿真的輸出功率大于40 dBm，實(shí)際測(cè)試輸出功率大于39.5 dBm。因此，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果基本吻合。功放的輸出功率較大，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)有較高的平坦度;在漏極效率上，本文設(shè)計(jì)的工作在全頻帶內(nèi)，仿真的效率可以達(dá)到75%以上。實(shí)際測(cè)試在1.7～2.0 GHz之內(nèi)，效率在70%以上，與仿真結(jié)果基本吻合;在2.0～2.7 GHz內(nèi)，效率可以達(dá)到65%以上。雖然與仿真結(jié)果有所偏差，但也實(shí)現(xiàn)了較高的效率，可以滿足系統(tǒng)的需求。高頻帶內(nèi)效率的偏差主要是由加工工藝造成的。

圖9給出了在2.6 GHz時(shí)，對(duì)功放進(jìn)行預(yù)失真實(shí)驗(yàn)的效果圖。此時(shí)，功放的輸出功率為33 dBm，使用信號(hào)為40 MHz的OFDM信號(hào)，VSA與VSG的采樣速率設(shè)置為160 MB/s。在進(jìn)行預(yù)失真前，功放的ACPR為-34.5 dBc/-33.6 dBc，預(yù)失真后的ACPR為-47.4 dBc/-48.3 dBc。通過(guò)預(yù)失真，在保證功放效率的同時(shí)，可以降低功放的非線性，提升功放輸出的調(diào)制信號(hào)質(zhì)量。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

本文面向高帶寬、高功率、高效率射頻前端應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)功率放大器設(shè)計(jì)的相關(guān)理論進(jìn)行了研究。文中的第一部分對(duì)連續(xù)F類功放的實(shí)際理論進(jìn)行闡述，第二部分基于這些理論進(jìn)行功放的仿真、實(shí)物制作和調(diào)試測(cè)試。本文設(shè)計(jì)的功放可以在1 GHz帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)39.5 dBm的高功率與大于65%的高效率。因此，該功放可以滿足通信基站的發(fā)展及未來(lái)的應(yīng)用需求。

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