5G通信的寬帶高效率功率放大器設計

吳神兵,軒雪飛*,王 楊,孔 勐,張 科

(1.淮南師范學院,安徽 淮南 232038;2.合肥師范學院,安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著現代無線通信傳輸技術的快速發展,5G通信發展的腳步越來越快,頻譜資源也捉襟見肘,但人們對于追求更高無線通信傳輸速率需求的腳步還在極速加快[1-5].由香農定理(C=W*log2(1+S/N)單位:bit/s)可知:在傳輸信道中,當信噪比(S/N)不變時最大信息傳輸速率(C)隨著傳輸帶寬(W)的增大而增大;當帶寬和信道內部高斯噪聲(N)不變時,信號平均功率(S)的增加會提高到新的傳輸速率.而相同功率下更高頻率的信號發射更遠,所以在頻譜資源短缺的今天,提高無線通信系統的工作帶寬和工作頻率是相當重要的[6-10].

在無線收發系統中,功放作為其中最為關鍵的部件之一,在系統中的地位是不言而喻的.如在移動通信基站中,功率放大器的工作帶寬嚴重制約著基站通信的工作帶寬.因此,為了有效降低運營成本,設計出能夠同時覆蓋電信、移動、聯通三家運營商的寬帶功率放大器具有重大意義.因此,憑借可以提高功放效率的優勢,諧波調節類功放已經引起人們越來越多的關注[10-11].典型的如F類功放,它通過將偶次諧波匹配至短路終端,奇次諧波匹配至開路終端,基本實現了窄帶放大器的高效率性能表現.但是,帶寬的限制成為了F類功放理論發展的瓶頸.因此,為了能夠在保證足夠工作帶寬的同時,提升工作效率,本文提出了一種新型的諧波控制網絡,通過簡單的拓撲結構即可實現對二次和三次諧波的控制,并同時采用多頻點匹配方法拓展帶寬,很好地解決了帶寬拓展的難題.最終利用射頻仿真軟件完成了一款在2.5～3.5 GHz頻帶內工作的功率放大器,在Momentum中進行了電磁仿真,結果顯示功放的漏極效率為63%～70%,輸出功率為39～40 dBm,大信號增益為9～10 dB.

1 F類功率放大器理論

F類功放的理論發展是來自于傳統的B類功放.它通過對高次諧波阻抗的控制,繼而完成對漏極間電流與電壓的調節.而為了提高效率,F類功率放大器主要通過兩種減少能耗的方法,一是減少高次諧波能量的攜帶,以增加基波能量的聚集;二是使偶次諧波阻抗終端短路、奇次諧波阻抗終端開路的方法使漏極間電流與電壓的波形沒有重疊,從而實現功率放大器的高性能表現.

如圖1中所示,輸入和輸出諧波控制網絡是為了控制諧波阻抗,減少高次諧波能量的攜帶,一般只需要控制到三次諧波,一方面是因為隨著諧波控制次數的不斷增加,諧波攜帶的能量在急劇減少,而這對基波的影響可忽略不計;另一方面是因為諧波次數越高,諧波網絡的復雜度越高,設備的成本也在提高.所以,諧波控制網絡的設計一般以控制到三次諧波為宜.

圖1 F類電路模型

2 電路設計

2.1 寬帶高效率輸出匹配網絡的設計

對于實現射頻功率放大器的高性能表現,在很大程度上是取決于對晶體管輸入和輸出端阻抗的控制.而控制阻抗的難度一方面是如何確定實現最佳性能的阻抗值,另一方面由于實現最佳性表現的阻抗是隨頻率而改變,而最佳阻抗值與50歐姆相差較大,這便對功放的輸入和輸出匹配電路設計提出了較大的挑戰.下面將針對上述存在的難題,給出相應的解決方案,進行恰當的電路拓撲結構的設計.

功率放大器的性能表現主要由輸入和輸出端電路決定,所提出設計方案的輸出匹配網絡由諧波控制和基波匹配網絡組成,如圖2所示.TL2為終端開路微帶線,對于基波電長度為λ/12,而對于三次諧波而言,其電長度為λ/4.所以,通過阻抗變換,三次諧波在B點為短路點.同時,結合TL1再次進行阻抗變換,因此對于三次諧波而言其輸入阻抗為無窮大.同理又因為終端短路的TL4電長度為λ/8,通過阻抗變換.所以二次諧波在A點為開路,那么對于二次諧波而言微帶線TL3即為終端開路線,當其電長度為λ/8時,對于二次諧波就為λ/4,因此,通過阻抗變換,B點為短路,也就實現了二次諧波短路的條件.至此,通過諧波控制網絡,完成了對二次和三次諧波的控制.

圖2 輸出匹配電路

根據圖示中基波匹配網絡的組成,微帶線TL5、TL6、TL7、TL8四根微帶線用來完成對基波阻抗的調節,其調節過程如下:

在P1平面可得:

(1)

在P2平面可得:

(2)

在P3平面可得:

(3)

通過將公式(1)-(3)聯立,便可得出Zin和ZL之間的關系,此關系式包含8個未知量.然后,將設計頻段內的指定頻點最優阻抗代入此關系式,便可列出多個方程,從而可以確定這些未知量.當然,這里方程的解有無數個解,只需要事先給其中六個參量的初始參考值即可得出同時滿足以上六個頻點的阻抗變換關系.至此,輸出匹配電路即可被完全確定.輸入匹配電路的設計也采用類似的設計理論,因此,就不再詳細說明了.同時,為了使得電路具有良好的高頻傳輸特性,板材采用的是Rogers4350B,其厚度是0.762 mm,介電常數是3.66.

2.2 整體電路的實現

最后,通過利用射頻仿真軟件建立電路模型,然后通過電路仿真最終可以確定電路拓撲圖.如圖3所示,分別包含輸入、輸出匹配網絡和柵極、漏極的直流偏置電路,并且拓撲結構的主要電路參數也已經簡單的標注于圖示中.

圖3 電路版圖

3 電路仿真與結果分析

因此,為了驗證前文提及的多頻點阻抗匹配理論以及功放的功能特性,特地對功放進行大信號仿真驗證,仿真結果如圖4所示.從圖示可以看出,功率放大器在指定的設計頻段內,漏極效率為63%～70%,輸出功率為39～40 dBm,增益為9～10 dB,基本達到了設計目標的要求.

圖4 大信號仿真結果

4 結論

論文提出了一種新型的諧波控制拓撲電路,可分別對二次以及三次諧波阻抗進行有效的控制,并同時結合多頻點匹配理論.在保證高效率的同時,有效拓展功放的工作帶寬.最終利用射頻仿真軟件進行仿真驗證,根據仿真結果可知,在2.5～3.5 GHz的設計頻帶內,漏極效率維持在63%～70%,輸出功率維持在39～40 dBm,增益為9～10 dB,良好的仿真結果進而驗證了設計理論的可靠性.