AB類LDMOS基站大功率放大器設(shè)計(jì)

嚴(yán)偉國(guó)，劉成國(guó)，丁肇宇，吳志鵬

（武漢理工大學(xué)理學(xué)院 射頻與微波技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430070）

AB類LDMOS基站大功率放大器設(shè)計(jì)

嚴(yán)偉國(guó)，劉成國(guó)，丁肇宇，吳志鵬

（武漢理工大學(xué)理學(xué)院 射頻與微波技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430070）

功率放大器在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中有著重要作用，AB類功率放大器因其能夠平衡效率與線性度的關(guān)系被廣泛研究使用；LDMOS晶體管因其優(yōu)異的工作性能，是目前多種射頻功率應(yīng)用中主流的技術(shù)之一。采用LDMOS晶體管設(shè)計(jì)了一款工作頻段在2.11～2.17 GHz的AB類功率放大器，完成了匹配電路的設(shè)計(jì)，在工作頻段內(nèi)S11＜-10 dB，S21＞18.7 dB，最大線性輸出功率P1dB＞51 dBm，其相應(yīng)的漏極效率在59%以上；從P1dB點(diǎn)回退6.5 dB點(diǎn)的漏極效率大于31%，上三階交調(diào)為-35.9 dBc，下三階交調(diào)為-35.6 dBc。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的功率放大器可滿足實(shí)際基站的應(yīng)用需求。

功率放大器；阻抗匹配；LDMOS；AB類

功率放大器是無(wú)線通信系統(tǒng)的核心組件之一，在現(xiàn)代無(wú)線系統(tǒng)的發(fā)展中，AB類功率放大器因其能夠很好地兼顧到效率和線性度而被廣泛研究和使用，其應(yīng)用有基站、雷達(dá)、微波單片集成電路，無(wú)線局域網(wǎng)等[1-4]。文獻(xiàn)[1]利用LDMOS（Lateral Diffused Metaloxide-semiconductor）晶體管設(shè)計(jì)了一款輸出功率為4 W用于基站的AB類功率放大器；文獻(xiàn)[2]采用GaN（Gallium Nitride）晶體管設(shè)計(jì)了一款1.3 GHz用于雷達(dá)的AB類功率放大器；文獻(xiàn)[3]采用LDMOS技術(shù)在集成電路中實(shí)現(xiàn)了工作頻率為3.8 GHz的AB類功率放大器的設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[4]介紹了一款頻段在3～7 GHz可用于無(wú)線局域網(wǎng)的高效率AB類功率放大器。另外，AB類功率放大器也是許多效率提高技術(shù)以及線性化技術(shù)等使用和研究的基礎(chǔ)；如Doherty技術(shù)[5]、包絡(luò)跟蹤技術(shù)[6]、數(shù)字預(yù)失真[7]等。

LDMOS晶體管增益大，擊穿電壓高，輸出功率密度大，價(jià)格相對(duì)低廉，是當(dāng)前使用的主流大功率晶體管之一。其應(yīng)用頻率在1 MHz～4 GHz，在雷達(dá)、廣播、尤其是基站應(yīng)用中被廣泛采用[8]。GaN是新型的第三代半導(dǎo)體，因其能帶間隙大，有更高的擊穿電壓，能夠承受更大的輸出功率密度，工作效率也更高，應(yīng)用的頻率可達(dá)到毫米波頻段，并且能允許更大的帶寬，在未來(lái)的5 G通信、60 GHz頻段中有廣泛的應(yīng)用前景[9]。雖然GaN晶體管性能優(yōu)異，但價(jià)格昂貴，使其大規(guī)模商用一定程度受阻；同時(shí)其高功率密度對(duì)晶體管工作時(shí)的散熱要求也更高一些；目前基站應(yīng)用中仍多采用LDMOS晶體管。

文中采用Freescale公司生產(chǎn)的MRF8S21120型號(hào)LDMOS晶體管設(shè)計(jì)了一款工作頻段為2.11～2.17 GHz可用于LTE基站的AB類功率放大器，最大線性輸出功率為51 dBm以上，相應(yīng)漏極工作效率大于59%。文章首先對(duì)傳統(tǒng)功率放大器的特性進(jìn)行了分析；然后介紹了利用ADS（Advanced Designed System）軟件設(shè)計(jì)AB類功率放大器的具體過(guò)程，包括：靜態(tài)工作點(diǎn)確定、匹配電路設(shè)計(jì)、偏置電路設(shè)計(jì)、S參數(shù)仿真、諧波平衡仿真等；最后對(duì)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了分析總結(jié)與展望。

1 傳統(tǒng)功率放大器的分析

傳統(tǒng)的功率放大器按照導(dǎo)通角大小可分為:A類、AB類、B類、C類；其漏極輸出電流波形可表示為式（1）：

其中，α是導(dǎo)通角，Ids是漏極電流，Iq是靜態(tài)工作電流，Ipk是射頻信號(hào)峰值電流，Imax是晶體管漏極飽和電流，滿足：cos（α/2）=-（Iq/Ipk）；Ipk=Imax-Iq。 對(duì)式（1）進(jìn)行整理并做傅里葉變換，可以得到漏極電流的直流分量、基波分量和高次的諧波分量；式（2）是直流分量，式（3）代表基波分量，式（4）是n次諧波分量[10]。

功率放大器漏極效率定義是基波分量的功率比上直流分量的功率，通過(guò)式（2）和（3）結(jié)合定義得出功率放大器的理論最大漏極效率隨導(dǎo)通角變化的表達(dá)式為：

AB類功率放大器導(dǎo)通角在180～360度之間，結(jié)合以上分析，最大效率可達(dá)到78.5%。圖1給出了漏極電流的各分量隨導(dǎo)通角變化的規(guī)律，當(dāng)導(dǎo)通角在180～360度時(shí)，基波分量先增加后逐漸減小，但整體仍保持很大的值，說(shuō)明AB類功率放大器有足夠的基波輸出功率；而且二次諧波分量及其他高次諧波分量大小遠(yuǎn)小于基波分量，線性度較好。AB類功率放大器有很好的設(shè)計(jì)靈活度，能夠根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整導(dǎo)通角大小，做到兼顧效率和線性度。

圖1 漏極電流各分量大小隨導(dǎo)通角變化的規(guī)律

2 AB類功率放大器的設(shè)計(jì)

2.1 靜態(tài)工作點(diǎn)的確定

AB類功率放大器導(dǎo)通角在180～360度之間，參考MRF8S21120H晶體管提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)并結(jié)合實(shí)際基站功率放大器的應(yīng)用需求，選取漏極偏壓28 V，靜態(tài)工作電流0.85 A為靜態(tài)工作點(diǎn)。在ADS中對(duì)晶體管進(jìn)行直流特性仿真，得到其直流工作特性曲線，圖2描述了在不同柵極偏壓下晶體管的漏極電流隨漏極電壓變化的規(guī)律，從圖可得，當(dāng)漏極電壓為28 V，靜態(tài)電流為0.848 A（十分接近0.85 A）時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵極工作電壓為2.7 V[11]。

圖2 晶體管直流特性曲線

2.2 匹配電路設(shè)計(jì)

根據(jù)共軛匹配的原則[12]為了使晶體管能夠從信號(hào)源獲取最大功率，晶體管輸入阻抗Zin應(yīng)與源阻抗共軛ZS，即：Zin=ZS*。在Smith圖工具中使用傳輸線進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)，隔直電容也進(jìn)入匹配，容值為6.8pF；在中心頻點(diǎn)2.14 GHz將源阻抗的共軛值匹配到50歐姆。為了保證一定的帶寬，在Q＜2的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行匹配。傳輸線使用微帶線實(shí)現(xiàn)，考慮到晶體管的封裝尺寸，第一段匹配微帶線的寬度應(yīng)大于晶體管柵極寬度，并且微帶線長(zhǎng)度也要大于柵極金屬片的長(zhǎng)度，以便于焊接。同樣地，晶體管的輸出阻抗Zout應(yīng)與負(fù)載阻抗ZL共軛，即Zout=ZL*；在Smith圖中將中心頻點(diǎn)處負(fù)載阻抗的共軛值匹配到50歐姆。

2.3 偏置電路設(shè)計(jì)

偏置電路的作用是給晶體管提供直流偏壓同時(shí)又要防止射頻信號(hào)泄漏；四分之一波長(zhǎng)短路線可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能[13]。微帶線寬決定了它自身可承受的最大電流；柵極電流很小，微帶線寬設(shè)為1.5 mm；漏極工作電流很大，微帶線寬設(shè)為2.5 mm。在四分之一波長(zhǎng)線末端加一個(gè)10 pF射頻電容作為偏置線，柵極、漏極偏置電路輸入阻抗幅度值如圖3所示。

圖3 偏置電路的阻抗

2.4 整體S參數(shù)仿真

根據(jù)Smith圖中理想的傳輸線匹配電路，用微帶線實(shí)現(xiàn)，電路板材為Rogers4350B，板厚0.765mm，銅箔厚度0.034mm；將輸入匹配電路、輸出匹配電路和偏置電路結(jié)合成一個(gè)整體進(jìn)行仿真，整體的匹配電路如圖4所示。連成一個(gè)整體后仿真結(jié)果會(huì)與單獨(dú)設(shè)計(jì)匹配電路的結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差，需要對(duì)匹配電路進(jìn)行調(diào)試；另外進(jìn)行原理圖仿真后還要再進(jìn)行原理圖和版圖協(xié)同仿真，使仿真結(jié)果更接近實(shí)際，反復(fù)微調(diào)輸入匹配電路和輸出匹配電路，得到最終仿真結(jié)果如圖5所示，在2.11～2.17 GHz頻段內(nèi)S11＜-10 dB；S21＞18.7 dB，波動(dòng)小于0.2 dB，符合實(shí)際基站應(yīng)用要求。

圖4 功率放大器的整體設(shè)計(jì)圖

圖5 S參數(shù)仿真的最終結(jié)果

2.5 諧波平衡仿真

S參數(shù)仿真用于設(shè)計(jì)晶體管初步的匹配電路，還需進(jìn)行諧波平衡仿真，根據(jù)結(jié)果對(duì)輸出和輸入匹配電路進(jìn)一步優(yōu)化，在功率放大器的輸出功率、漏極效率、線性度之間找到一個(gè)符合要求的平衡點(diǎn)[14]。主要進(jìn)行單音和雙音信號(hào)的仿真，單音信號(hào)用于仿真功率放大器的增益、P1dB點(diǎn)和效率；雙音信號(hào)用于仿真功率放大器的IMD3（Third-order Intermodulation Distortion）及IMD5（Fifth-order Intermodulation Distortion）。圖6給出在功率放大器的增益、效率、IMD3和IMD5隨輸出功率變化的曲線，在目標(biāo)工作頻段2.11～2.17 GHz內(nèi)，增益大于18.6 dB，P1dB點(diǎn)大于51 dBm，相應(yīng)漏極效率大于59%，6.5 dB功率回退范圍內(nèi)的效率在31%以上。仿真得到的最大效率小于理論分析的78.5%，這主要是由于“膝點(diǎn)”電壓區(qū)的存在限制了射頻信號(hào)的最大輸出電壓，同時(shí)仿真還考慮了板材損耗以及微帶線的導(dǎo)體損耗[15]。在6.5 dB功率回退點(diǎn)上IMD3為-35.9 dBc、下三階交調(diào)為-35.6 dBc、上五階交調(diào)為-45.7 dBc，下五階交調(diào)為-45.5 dBc；但隨著輸出功率增大趨于飽和時(shí)IMD3和IMD5都變得大于-30 dBc，線性度惡化，實(shí)際中使用需要結(jié)合數(shù)字預(yù)失真技術(shù)改善其線性度以提高通信質(zhì)量[16]。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)AB類功率放大器的應(yīng)用做了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)LDMOS和GaN晶體管的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)傳統(tǒng)功率放大器的工作特性進(jìn)行了理論分析，給出了漏極效率隨導(dǎo)通角變化規(guī)律，繪制了漏極電流的直流分量、基波分量、高次諧波分量隨導(dǎo)通角變化的曲線，說(shuō)明了AB類功放的特性。并采用LDMOS晶體管設(shè)計(jì)了一款工作頻段為2.11～2.17 GHz可用于LTE基站的AB類功率放大器，詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)過(guò)程包括：靜態(tài)工作點(diǎn)選取，匹配電路設(shè)計(jì)，偏置電路設(shè)計(jì)，S參數(shù)仿真，諧波平衡分析等。接下來(lái)工作是做出實(shí)際電路，進(jìn)行測(cè)試，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖6 功率放大器增益、效率、IMD3、IMD5隨輸出功率變化曲線

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Design of AB class LDMOS power amplifier for base station applications

YAN Wei-guo，LIU Cheng-guo，DING Zhao-yu，WU Zhi-peng
（RF and Microwave Technology Research Center，School of science，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

Power amplifiers play a great important role in modern wireless communication systems，AB class power amplifier is widely employed and investigated for its good balance of efficiency and linearity；LDMOS transistor is one of the leading technology for a variety of RF applications because of its outstanding performance.A AB class power amplifier in band 2.11～2.17 GHz is designed exploiting LDMOS transistor，the design of impedance matching circuits is completed，in the working frequency range，S11＜-10 dB，S21＞18.7 dB，the maximum linear output power P1dB＞51 dBm，the corresponding efficiency is above 59%；the drain efficiency at 6.5 dB backoff point from P1dBis above 31%，the corresponding upper IMD3 is-35.9 dBc，the lower IMD3 is-35.6 dBc.The simulation results show that the designed power amplifier can meet the application requirements of base stations.

power amplifier；impedance matching；LDMOS；AB class

TN722

：A

：1674－6236（2017）05-0079-04

2016-02-19稿件編號(hào)：201602067

嚴(yán)偉國(guó)（1992—），男，湖北仙桃人，碩士研究生。研究方向：射頻功率放大器的設(shè)計(jì)。