基于PIN開關(guān)的可重構(gòu)雙波段功率放大器設(shè)計(jì)

劉文進(jìn) 王皓 南敬昌

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

引 言

隨著5G通信的飛速發(fā)展，通信的頻段和標(biāo)準(zhǔn)逐漸增多[1-3]，對(duì)信號(hào)質(zhì)量和容量的要求也越來越高，各類通信系統(tǒng)需要不斷更新?lián)Q代，以適應(yīng)多標(biāo)準(zhǔn)、多模式的無線通信[4]. 功率放大器作為通信系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能的好壞直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能. 對(duì)功率放大器的不同工作狀態(tài)進(jìn)行分析并研究可重構(gòu)的電路結(jié)構(gòu)成為必然的發(fā)展趨勢. 可重構(gòu)多波段功放在引入可重構(gòu)器件后，使功放的匹配網(wǎng)絡(luò)具有拓展性、靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)工作頻段的快速切換，在5G通信以及未來的通信系統(tǒng)中擁有廣闊的應(yīng)用前景[5]. 近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者致力于使用更簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)多波段功率放大器的設(shè)計(jì)，推動(dòng)了可重構(gòu)多波段功率放大器的發(fā)展. 文獻(xiàn)[6]使用π型多頻匹配結(jié)構(gòu)，同時(shí)匹配電路采用分布參數(shù)微帶線，可以將功放管在任意三個(gè)頻點(diǎn)處的不同輸入或輸出阻抗值匹配到50 Ω，但并聯(lián)枝節(jié)較多，效率偏低. 文獻(xiàn)[7]基于集總參數(shù)元件設(shè)計(jì)的雙頻匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，但在射頻頻率較高的情況下，不能承受大功率，同時(shí)元件的低Q值會(huì)降低功放的整體性能. 文獻(xiàn)[8]中，使用PIN開關(guān)控制匹配電路中的電容，設(shè)計(jì)了一款工作在1.75 GHz、2.1 GHz和2.6 GHz的可重構(gòu)功放，雖然該功放的增益較高，但匹配電路是由接入固定值電容實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)較為困難.

為解決上述功放電路性能較低、不易實(shí)現(xiàn)等問題，本文對(duì)傳統(tǒng)可重構(gòu)功放結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一款新型可重構(gòu)雙波段功率放大器. 通過控制PIN開關(guān)的通斷，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輸出匹配電路的轉(zhuǎn)換，每個(gè)輸出匹配電路分別匹配一個(gè)雙波段，從而實(shí)現(xiàn)四個(gè)工作頻點(diǎn)的良好匹配. 制作實(shí)物并進(jìn)行測試，各項(xiàng)測試結(jié)果良好，驗(yàn)證了該方法的可行性.

1 可重構(gòu)功放設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)可重構(gòu)功放時(shí)，需要考慮可重構(gòu)器件與匹配電路的相互影響. PIN開關(guān)作為可重構(gòu)器件，具有結(jié)構(gòu)簡單、隔離度高、損耗低的特點(diǎn)，可有效降低開關(guān)對(duì)匹配電路的影響. 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用PIN開關(guān)進(jìn)行控制，利用90°微帶線的特性保證四個(gè)頻點(diǎn)獨(dú)立正常的工作. 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)采用基于濾波器理論設(shè)計(jì)的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，能夠保證四個(gè)頻點(diǎn)的工作性能，提高了整個(gè)功放的效率，并且在輸入端接入RC穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，以保持整個(gè)電路絕對(duì)穩(wěn)定. 在偏置電路中使用扇形微帶線，拓展了高輸入阻抗偏置電路的帶寬. 可重構(gòu)雙波段功放的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 可重構(gòu)雙波段功放的整體結(jié)構(gòu)Fig. 1 The overall structure of the reconfigurable dual-band power amplifier

2 可重構(gòu)雙波段功放設(shè)計(jì)

2.1 可重構(gòu)器件設(shè)計(jì)

可重構(gòu)器件包括可調(diào)器件與開關(guān)，可調(diào)器件包括變?nèi)荻O管、可調(diào)電容等，常用于射頻電路的開關(guān)包括MEMS開關(guān)、MOS開關(guān)、PIN開關(guān)等. PIN開關(guān)在直流正-反偏壓下呈現(xiàn)近似導(dǎo)通或斷開的特性，通過改變功放匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使功放匹配在不同工作頻點(diǎn)，多應(yīng)用于大功率開關(guān)和高精度靈敏儀器設(shè)備上，并且PIN開關(guān)與其他開關(guān)相比具有成本低、電路結(jié)構(gòu)簡單、帶寬大等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于可重構(gòu)電路的設(shè)計(jì)中.

2.1.1 PIN開關(guān)設(shè)計(jì)

利用PIN二極管的單向?qū)ㄌ匦钥梢詫?shí)現(xiàn)開關(guān)的功能. PIN二極管的阻抗值受兩端電壓的控制，在導(dǎo)通時(shí)近似于一個(gè)電感，斷開時(shí)近似一個(gè)電容. 在開關(guān)電路阻抗為0時(shí)，可以近似看作開關(guān)閉合；阻抗為無窮大時(shí)，近似看作開關(guān)斷開. 本次設(shè)計(jì)選擇型號(hào)為SMP1345-079LF的二極管，設(shè)計(jì)的可重構(gòu)開關(guān)的導(dǎo)通電流為10 mA，截止電壓為0 V. 在工作頻段內(nèi)，該二極管的插損保持在0.4 dB以下. 圖2為PIN開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理圖，采用特性阻抗較大的微帶線TL1替換傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電阻，控制導(dǎo)通電流，起到限流的作用，電容C2起到隔直的作用[9]. 相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用分布式結(jié)構(gòu)能夠減小器件之間的影響，更適用于可重構(gòu)功率放大器[10].

圖2 PIN開關(guān)結(jié)構(gòu)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of PIN switch structure

2.1.2 PIN開關(guān)仿真

使用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真，PIN開關(guān)在模式1(斷開：1.6 GHz&2.1 GHz)和模式2(閉合：1.8 GHz&2.3 GHz)下回波損耗S11和插入損耗S21的仿真結(jié)果如圖3所示. 在開關(guān)閉合時(shí)，隔離度非常小，接近于0 dB；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，兩種模式均有超過20 dB的隔離度，表明開關(guān)在兩種模式下都能很好地實(shí)現(xiàn)控制功能.

圖3 PIN開關(guān)S參數(shù)仿真結(jié)果Fig. 3 Simulation results of S parameter for PIN switch

2.2 可重構(gòu)雙波段匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的可重構(gòu)雙波段匹配網(wǎng)絡(luò)，主要由雙Π型和T型混合結(jié)構(gòu)的匹配電路組成，將設(shè)計(jì)的PIN開關(guān)加入到雙波段匹配網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)的可重構(gòu)雙波段匹配網(wǎng)絡(luò)如圖4所示. 此匹配網(wǎng)絡(luò)能夠匹配兩個(gè)雙波段，即可實(shí)現(xiàn)四個(gè)不同頻率f1、f2、f3、f4的良好匹配.

圖4 可重構(gòu)雙波段匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the reconfigurable dual-band matching network

當(dāng)開關(guān)S1和S2都斷開時(shí)，為便于理解，將匹配網(wǎng)絡(luò)簡化為圖5所示的電路結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)頻率為1.6 GHz和2.1 GHz的阻抗變換.

圖5 開關(guān)S1和S2都斷開時(shí)匹配電路結(jié)構(gòu)Fig. 5 Switches S1 and S2 are disconnected to match the circuit structure

將1/4波長傳輸線的ABCD矩陣與Π型匹配網(wǎng)絡(luò)的ABCD矩陣進(jìn)行對(duì)比，并將已知的1/4波長傳輸線的電長度θT=90°與特性阻抗ZT代入，可得到ZT、Za、θa、Bb之間的關(guān)系：

由于雙頻匹配電路需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻段的阻抗變換，因此需要同時(shí)滿足式(3)和(4). 其中n是兩個(gè)頻率的比值(f2/f1)，兩式聯(lián)立可解出Za和θa.

由于同一電路需要同時(shí)滿足兩個(gè)頻率f1、f2的阻抗變換，即：

所以，兩式聯(lián)立即可求出Zb和θb. 用Zb和θb替換式(1)中的Za和θa，即可求出頻率f1和f2時(shí)所需的電導(dǎo)為

至此，第一個(gè)波段的電參數(shù)Za、θa、Zb、θb都已經(jīng)求出. 當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，可實(shí)現(xiàn)第二個(gè)波段的良好匹配，電路結(jié)構(gòu)如圖6所示.

由于同一電路需要實(shí)現(xiàn)頻率f3和f4的阻抗匹配，圖6中的未知參數(shù)Zc、θc可由式(8)、(9)聯(lián)立得出：

圖6 開關(guān)S1和S2都閉合時(shí)匹配電路結(jié)構(gòu)Fig. 6 Switches S1 and S2 are connected to match the circuit structure

電導(dǎo)jB1、jB2、jB3滿足

使用雙電導(dǎo)加載線替代可重構(gòu)雙波段匹配電路中的開路加載線，即可得到可重構(gòu)雙波段匹配網(wǎng)絡(luò)的完整電路，如圖7所示. 通過兩個(gè)PIN開關(guān)的斷開和閉合實(shí)現(xiàn)兩個(gè)雙波段的切換. 表1給出了圖7電路的兩種工作狀態(tài).

圖7 可重構(gòu)雙波段匹配網(wǎng)絡(luò)電路Fig. 7 Circuit diagram of reconfigurable dual-band matching network

表1 可重構(gòu)匹配電路的工作狀態(tài)Tab. 1 Working state of reconfigurable matching circuit

2.3 基于帶通濾波器理論的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1948年，R M Fano提出一套基于集總元件實(shí)現(xiàn)的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法[11]. 2009年，Dale E Dawson給出了相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)g值的閉式解[12]. 本文據(jù)此設(shè)計(jì)出匹配網(wǎng)絡(luò)的低通模型，并將低通模型轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髟?.5～2.5 GHz的帶通模型，如圖8所示.

圖8 1.5～2.5 GHz帶通網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 8 Model diagram of 1.5?2.5 GHz bandpass network

隨著頻率的升高，集總參數(shù)元件的寄生參數(shù)會(huì)使元件特性發(fā)生很大的變化，為了進(jìn)一步降低寄生參數(shù)對(duì)元件特性的影響，通過1/4波長的短路微帶線等效LC諧振電路和串聯(lián)微帶線等效電感串接電容并聯(lián)的Π型網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)文獻(xiàn)[13]轉(zhuǎn)換圖8的電路后，得到的分布參數(shù)模型如圖9所示.

圖9 1.5～2.5 GHz帶通網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)模型Fig. 9 1.5?2.5 GHz bandpass network distribution parameter model diagram

3 功放實(shí)例仿真

3.1 工作條件與參數(shù)

對(duì)電路進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，晶體管選擇Cree公司的CGH40010F，并將可重構(gòu)功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置為：VDS=28 V，VGS=?2.8 V. 功放處于AB類工作狀態(tài)，具有高效率和高線性度. 將開關(guān)的偏置電壓設(shè)置為5 V，輸入信號(hào)功率設(shè)置為28 dBm.

3.2 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)仿真

經(jīng)過反復(fù)迭代牽引，可以確定兩個(gè)雙波段四個(gè)中心頻率分別對(duì)應(yīng)的最大輸出功率和效率. 通過權(quán)衡這些最優(yōu)值，得到四個(gè)頻率點(diǎn)的最佳阻抗[14].設(shè)計(jì)的可重構(gòu)雙波段匹配網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖10所示，在1.6 GHz&2.1 GHz波段兩個(gè)頻率點(diǎn)的回波損耗S11均小于?25 dB，在1.8 GHz&2.3 GHz波段兩個(gè)頻率點(diǎn)的回波損耗S11均小于?14 dB，同時(shí)兩個(gè)雙波段的插入損耗S21均大于?1 dB. 表明設(shè)計(jì)的可重構(gòu)雙波段阻抗變換網(wǎng)絡(luò)具有良好的頻率特性，在開關(guān)斷開和閉合時(shí)，均能高效率輸出.

圖10 可重構(gòu)雙波段匹配網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)仿真結(jié)果Fig. 10 Simulation results of S parameter for reconfigurable dual-band matching network

3.3 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)仿真

經(jīng)過反復(fù)迭代，確定了CGH40010F功放管在四個(gè)頻率點(diǎn)的最佳輸入阻抗，通過比較功放的輸出功率、功率附加效率(power added efficiency, PAE)等參數(shù)，最終選擇輸入阻抗為(7.4+1.1j)Ω作為功放的最佳輸入阻抗點(diǎn). 依照2.3小節(jié)的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了寬帶輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的仿真，得到的結(jié)果如圖11所示，電路工作在1.5～2.5 GHz時(shí)回波損耗S11均小于?10 dB，電路的插入損耗S21均大于?1 dB，這表明，在1.5～2.5 GHz的頻段范圍內(nèi)，電路匹配良好，具有較好的頻率特性.

圖11 寬帶輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)仿真結(jié)果Fig. 11 Simulation results of S parameter for the inputmatching network

3.4 功放整體性能仿真

圖12給出了基于PIN開關(guān)的可重構(gòu)雙波段射頻功率放大器的整體電路圖. 對(duì)整體電路進(jìn)行優(yōu)化后，功放的整體性能仿真結(jié)果如圖13所示.

圖12 可重構(gòu)雙波段射頻功率放大器的整體電路圖Fig. 12 The overall circuit diagram of a reconfigurable dual-band RF power amplifier

圖13 不同頻率下功放小信號(hào)增益和PAE隨輸出功率的變化Fig. 13 Amplifiers with small signal gain and PAE vs. output power at different frequencies

圖13給出了不同頻率下小信號(hào)增益和PAE隨輸出功率的變化曲線. 當(dāng)功放工作在1.6 GHz時(shí)仿真結(jié)果顯示其輸出功率為40.56 dBm，PAE為50.28%，小信號(hào)增益為11.55 dB；在2.1 GHz時(shí)，輸出功率為41.36 dBm，PAE為50.17%，小信號(hào)增益為10.36 dB；在1.8 GHz時(shí)，輸出功率為38.9 dBm，PAE為54.73%，小信號(hào)增益為10.10 dB；在2.3 GHz時(shí)，輸出功率為41.14 dBm，PAE為51.48%，小信號(hào)增益為15.14 dB.以上表明可重構(gòu)功放在四個(gè)工作頻段均具有良好的性能，符合設(shè)計(jì)要求.

4 功放實(shí)物與測試結(jié)果

4.1 功放實(shí)物

當(dāng)設(shè)計(jì)好的功放在仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)后，需要對(duì)功放進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)和實(shí)物測試. 在加工的電路板上焊接好分立元件、電源線以及輸入輸出端口，并將電路板與散熱器固定好，最終的功放實(shí)物如圖14所示.

圖14 功放實(shí)物Fig. 14 Photograph of the fabricated PA

4.2 小信號(hào)測試結(jié)果

圖15(a)、(b)、(c)、(d)分別為功放在1.6 GHz、2.1 GHz、1.8 GHz、2.3 GHz的S參數(shù)測試結(jié)果. 可以看出：功放工作在1.6 GHz時(shí)，S11小于?17 dB，S21為9.7 dB；在2.1 GHz時(shí)S11小于?24 dB，S21為8.9 dB；在1.8 GHz時(shí)，S11小于?14 dB，S21為7.5 dB；在2.3 GHz時(shí)S11小于?16 dB，S21為13.6 dB. 測試結(jié)果表明，在四個(gè)頻段功放S11均小于?10 dB，S21也滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求.

圖15 不同頻率下功放S參數(shù)測試結(jié)果Fig. 15 S parameter test results of power amplifier at different frequencies

4.3 大信號(hào)測試結(jié)果

圖16(a)和(b)分別為1.6 GHz&2.1 GHz和1.8 GHz&2.3 GHz下大信號(hào)增益和PAE隨輸出功率Pout的變化趨勢. 可以看出：功放工作在1.6 GHz時(shí)，功放的PAE為46.2%，輸出功率可達(dá)到40.56 dBm，增益為9.58 dB；工作在2.1 GHz時(shí)，功放的PAE為46.8%，最大輸出功率為41.36 dBm，增益為8.70 dB；工作在1.8 GHz時(shí)，功放的PAE為48.9%，輸出功率能達(dá)到39.09 dBm，增益為7.50 dB；工作在2.1 GHz時(shí)，功放的PAE為51.47%，最大輸出功率為41.14 dBm，增益為13.32 dB.

從圖15和圖16可知，功放的小信號(hào)和大信號(hào)測試性能較仿真結(jié)果有一定程度的偏差，這主要是由微帶線的損耗、分立元件的誤差、加工的誤差以及焊接等原因造成的.

圖16 不同頻率下功放大信號(hào)增益和PAE隨輸出功率的變化Fig. 16 Amplifiers with large signal gain and PAE vs. output power at different frequencies

將本文的可重構(gòu)功放與文獻(xiàn)[15-17]中的功放從可重構(gòu)頻點(diǎn)數(shù)、工作頻點(diǎn)、增益、輸出功率和PAE五個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表2. 由表2可知：本文設(shè)計(jì)的可重構(gòu)功放在保證PAE和增益的情況下，增加了可重構(gòu)頻點(diǎn)數(shù)；文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)的可重構(gòu)功放增益超過14 dB，但效率只有38%；文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)的可重構(gòu)功放效率雖有52.2%，但可重構(gòu)頻點(diǎn)數(shù)較少.

表2 本文設(shè)計(jì)與文獻(xiàn)中可重構(gòu)功放的性能對(duì)比Tab. 2 Performance comparison of reconfigurable power amplifier in this article and literature

5 結(jié) 論

本文對(duì)可重構(gòu)雙波段匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行理論分析，提出了一種新型的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其具有設(shè)計(jì)難度低、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn). 為驗(yàn)證方法的有效性，設(shè)計(jì)并加工制作了一款基于PIN開關(guān)的可重構(gòu)雙波段功放，測試結(jié)果表明，功放可在四個(gè)頻率點(diǎn)之間快速切換，并具備良好的效率性能、較高的輸出功率和增益.

隨著5G通信的快速發(fā)展，具有多頻段工作特性的收發(fā)信機(jī)將得到快速發(fā)展，作為收發(fā)信機(jī)的關(guān)鍵組件之一，可重構(gòu)多波段功放將更好地滿足無線通信多模多帶和高效率的需求.