應(yīng)用于無(wú)線通信的高效寬帶GaN HEMT功率放大器

程知群，趙子明，劉國(guó)華，軒雪飛

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

應(yīng)用于無(wú)線通信的高效寬帶GaN HEMT功率放大器

程知群，趙子明，劉國(guó)華，軒雪飛

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

基于GaN器件設(shè)計(jì)了一款帶寬達(dá)到1.2 GHz～2.6 GHz功率放大器，覆蓋了移動(dòng)、電信、聯(lián)通三家運(yùn)營(yíng)商頻段.漏級(jí)效率達(dá)到60%～88%，相對(duì)帶寬達(dá)到73%，平均輸出功率10 W以上，大信號(hào)增益為10～12 dB.采用基波階躍式匹配與諧波控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決了同時(shí)兼有高效率和寬頻帶的GaN功率放大器中一系列關(guān)鍵性問(wèn)題，為4G基站高效率寬帶下的功率放大器研制提供一種新的實(shí)現(xiàn)途徑和方法.

高效率；寬頻帶；功率放大器；階躍式匹配 ；諧波控制網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線通信系統(tǒng)

0 引 言

20世紀(jì)80年代的高頻、超高頻和甚高頻無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展不斷推進(jìn)了大功率晶體管和通信技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展.第三代與第四代通信系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)并逐步進(jìn)入普通用戶的生活，更高的數(shù)據(jù)速率傳輸對(duì)功率放大器的高效率和良好的線性度提出了要求[1-3].目前中國(guó)移動(dòng)采用的是TD-LTE技術(shù)，中國(guó)移動(dòng)共獲得130 MHz，分別為1 880 MHz～1 900 MHz，2 320 MHz～2 370 MHz，2 575 MHz～2 635 MHz；電信、聯(lián)通采用的是FDD-LTE技術(shù)，中國(guó)電信的1.8 GHz頻段為1 755 MHz～1 785 MHz/1 850 MHz～1 880 MHz，中國(guó)聯(lián)通的2.1 GHz頻段為1 955 MHz～1 980 MHz/2 145 MHz～2 170 MHz.北斗一二代導(dǎo)航頻段B1為1 559 MHz～1 563 MHz，頻點(diǎn)(1 561.098±2.046)MHz，頻段B2為1 559 MHz～1 563 MHz，頻點(diǎn)(1 207.14±2.046) MHz.隨著上述通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，信號(hào)所工作的頻率范圍和帶寬也在不斷地?cái)U(kuò)大.為了滿足通信網(wǎng)絡(luò)和基站的不斷升級(jí)更新，解決不同頻帶內(nèi)信號(hào)的兼容性和運(yùn)營(yíng)成本，在設(shè)計(jì)功放上更加重視效率和帶寬性能指標(biāo)的設(shè)計(jì).眾所周知，功率放大器在整個(gè)射頻系統(tǒng)中是非常重要的，高效寬帶的功率放大器會(huì)增強(qiáng)整個(gè)射頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)約整個(gè)射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本.特別是正在推廣的第四代移動(dòng)通信技術(shù)要求其基站用射頻功率放大器具有高線性、高效率等高性能指標(biāo)[4-7]，同時(shí)為了覆蓋移動(dòng)、電信、聯(lián)通三家運(yùn)營(yíng)商及其北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的工作頻段，需要的功率放大器還需具有寬頻帶的性能.本文通過(guò)采用基波階躍匹配和諧波控制的方法設(shè)計(jì)了高效寬帶的功率放大器，帶寬可覆蓋移動(dòng)、電信、聯(lián)通、北斗導(dǎo)航通信系統(tǒng)的工作頻段.

1 功率放大器的分析與實(shí)現(xiàn)

1.1 功放前期設(shè)計(jì)的要求

為了覆蓋移動(dòng)、電信、聯(lián)通、北斗導(dǎo)航通信系統(tǒng)的工作頻段，本文功放的設(shè)計(jì)指標(biāo)確定為：工作帶寬1.2 GHz～2.6 GHz，平均漏極效率70%(其中北斗導(dǎo)航系統(tǒng)頻段的平均漏極效率需達(dá)到75%，4G通信系統(tǒng)頻段的平均漏極效率需達(dá)到60%)，輸出功率大于40 dBm，增益大于10 dB.由于Cree公司的GaN HEMT晶體管CGH40010F的正常工作范圍為0 GHz～6 GHz具有擊穿電壓高、電子遷移率快等特點(diǎn)，同時(shí)提供了晶體管的大信號(hào)模型，滿足大信號(hào)仿真的需求，本文的設(shè)計(jì)選擇了該公司的晶體管器件[8-10].查看數(shù)據(jù)手冊(cè)可得一般漏極電壓Vds和漏極電流Ids的數(shù)值，通過(guò)對(duì)晶體管直流特性進(jìn)行掃描，為了兼顧輸出功率與效率，本設(shè)計(jì)中晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定為漏極電壓電流Vds=30 V和Ids=200 mA.

1.2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖1 不同頻點(diǎn)的最佳輸入阻抗與輸出阻抗

首先利用實(shí)驗(yàn)室中的負(fù)載牽引系統(tǒng)loadpull和sourcepull進(jìn)行牽引獲得管子的最佳輸入阻抗和最佳輸出阻抗.晶體管在不同頻率點(diǎn)的最佳輸入與輸出阻抗如圖1所示.綜合考慮之后可選取晶體管的最佳輸入/輸出阻抗分別為(6.383+j×7.976)Ω和(21.155+j×15.6)Ω.

一般采用多枝節(jié)匹配(多元件)的方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配電路很難將功放的工作帶寬拓寬，因?yàn)橛捎谕負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的枝節(jié)繁多，此種匹配方式很容易導(dǎo)致匹配過(guò)程中信號(hào)的泄露，窄帶射頻功放最佳負(fù)載阻抗一般是由ADS仿真軟件或者實(shí)驗(yàn)室的負(fù)載牽引系統(tǒng)經(jīng)過(guò)反復(fù)的迭代得到的，在負(fù)載牽引過(guò)程根據(jù)不同的指標(biāo)要求(比如最高效率或者最大輸出功率)來(lái)得出晶體管的實(shí)際匹配阻抗，然后將得出的最佳阻抗進(jìn)行匹配，使整個(gè)設(shè)計(jì)電路達(dá)到最高效率或者最大輸出功率.但是由于晶體管的寄生電容的影響，其輸入和輸出阻抗是根據(jù)頻率不斷變化的，無(wú)法保證設(shè)計(jì)的整個(gè)頻段內(nèi)都達(dá)到最佳阻抗匹配，同時(shí)每個(gè)頻點(diǎn)的電路輸出功率起伏很大，增益平坦度也無(wú)法達(dá)到要求，通過(guò)前期的仿真實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)，此時(shí)就要同時(shí)考慮輸出功率和增益平坦度的問(wèn)題，對(duì)指標(biāo)有所側(cè)重，采用50 Ω進(jìn)行負(fù)載阻抗匹配，以至于能同時(shí)保證增益平坦度和輸出功率的指標(biāo)要求.

輸入端采用多支節(jié)微帶線方式，為了改善電路的駐波系數(shù)，功放輸入端一般都采用共軛匹配的方式.由于設(shè)計(jì)的電路頻率比較高，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了微帶線匹配，大大的減少高頻信號(hào)下電磁耦合的影響，采用muRata系列電容，其精確的模型也能進(jìn)一步滿足電路設(shè)計(jì)頻率的要求.

輸出端采用諧波控制電路與基波階躍式匹配電路組合的方式進(jìn)行電路匹配，一般匹配方式不考慮諧波問(wèn)題，所以很難達(dá)到高效率的性能.本文采用十字形諧波控制結(jié)構(gòu)同時(shí)控制二次諧波和三次諧波，傳統(tǒng)的做法是電壓與電流只要不同時(shí)出現(xiàn)就沒(méi)有效率的損失，那么對(duì)應(yīng)的漏極電壓表達(dá)式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的功放是寬帶的，所以只能將二次諧波阻抗和三次諧波阻抗匹配到電抗的位置，從而達(dá)到全頻帶高效率的目的.階躍式基波匹配結(jié)構(gòu)無(wú)任何并聯(lián)枝節(jié)能夠減少信號(hào)在主路的損耗，進(jìn)一步降低插損.階躍式匹配電路在史密斯圓圖上不斷進(jìn)行牽引從最佳阻抗點(diǎn)牽引到原點(diǎn)(50 Ω)，這樣能盡可能地減小Q圓的半徑，從而達(dá)到擴(kuò)大帶寬的效果.

(5)

式中，f為頻率，BW為帶寬，Q為品質(zhì)因數(shù)，從式(5)中可知Q圓越小，帶寬越大.基波的兩種匹配方法如圖2所示，圖2(a)的設(shè)計(jì)采用一般的微帶線多枝節(jié)匹配方式，可以看出Q=1，帶寬較小，而圖2(b)的設(shè)計(jì)采用階躍式基波匹配，Q=0.5，帶寬較大.因此本文設(shè)計(jì)采用圖2(b)類型的匹配方式，效果更加好.

圖2 基波的兩種匹配方法

功放的整體設(shè)計(jì)電路如圖3所示，其中的圖3(a)、圖3(b)分別顯示了輸入匹配和輸出匹配電路.輸入匹配中采用電阻R1與電容C2并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，從而組成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)既可以大大消除不同頻率(高低頻率)之間增益不平坦的問(wèn)題，也改善并提高了整個(gè)工作帶寬內(nèi)的穩(wěn)定性.電阻R2串聯(lián)在直流電源和GaN HEMT晶體管的柵極之間，可以很好地提高電路的穩(wěn)定性，因?yàn)槔硐霠顟B(tài)下柵極電流為0，沒(méi)有任何功率的消耗，也能避免發(fā)熱，進(jìn)而提高整個(gè)功率放大器的穩(wěn)定性.輸入與輸出端的電容C1與C7的作用是為了扼制直流信號(hào)進(jìn)入主路，防止測(cè)試過(guò)程中損壞測(cè)試儀器.偏置電路中采用λ/4微帶線設(shè)計(jì)，利用λ/4微帶線阻抗變換特性減小直流信號(hào)的泄露.

圖3 功放的整體設(shè)計(jì)電路

2 整體的實(shí)物照片及其最終測(cè)試結(jié)果與分析

實(shí)際加工制作的電路圖如圖4(a)所示.本文對(duì)實(shí)際制作的電路進(jìn)行了測(cè)試，選取的柵極電壓Vgs=-2.78 V，漏極電壓Vds=30 V.在大信號(hào)測(cè)試過(guò)程中，本次設(shè)計(jì)電路實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖4(b)所示.實(shí)測(cè)電路在工作頻段1.2 GHz～2.6 GHz內(nèi)，從測(cè)試結(jié)果上可以看出功1.2 GHz～1.8 GHz時(shí)平均效率基本在80%左右(北斗導(dǎo)航)，1.8 GHz～2.6 GHz平均效率在60%左右(4G頻段)，其輸出功率都在40 dBm以上，大信號(hào)增益為10～12 dB滿足設(shè)計(jì)要求.

圖4 功放的實(shí)際測(cè)試加工

本文采用了諧波控制匹配網(wǎng)絡(luò)與基波階躍式匹配網(wǎng)絡(luò)組合的匹配方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在整個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)的寬帶高效匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)上對(duì)GaN HEMT功率放大器的一些高效寬帶的特點(diǎn)做了詳細(xì)的理論分析與研究，從而使本設(shè)計(jì)的功放達(dá)到了高效率和寬頻帶的目的.最近幾年的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)設(shè)計(jì)方法的比較如表1所示.通過(guò)對(duì)比可以看出，本文所設(shè)計(jì)的功率放大器的測(cè)試結(jié)果在帶寬(相對(duì)帶寬73%)與效率(漏極效率60%～88%)性能指標(biāo)還是優(yōu)越的.

表1 不同設(shè)計(jì)方法的高效寬帶功放指標(biāo)對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)于寬帶高效率功率放大器的設(shè)計(jì)選擇了合適的直流工作點(diǎn)、并利用基波階躍式匹配電路來(lái)拓展功放帶寬、進(jìn)一步采用諧波匹配電路來(lái)提高本次設(shè)計(jì)的功率放大器的效率.此種方法對(duì)于設(shè)計(jì)高效寬帶的功率放大器有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義.通過(guò)對(duì)本次設(shè)計(jì)的實(shí)物電路進(jìn)行不斷測(cè)試，實(shí)際測(cè)試結(jié)果中功率放大器的主要指標(biāo)(如信號(hào)增益和輸出功率)與仿真結(jié)果相差很小，基本上能完全達(dá)到本次設(shè)計(jì)的性能要求，進(jìn)而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的完整性.但是，由于組裝的過(guò)程誤差和焊接工藝的限制，實(shí)際測(cè)試結(jié)果還是存在一定的偏差.后期，通過(guò)查詢相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程中存在的問(wèn)題，以求不斷改進(jìn)性能、調(diào)試參數(shù)，從而得到更加理想的結(jié)果.

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High Efficiency Broadband GaN HEMT Power Amplifier of Wireless Communication

CHENG Zhiqun, ZHAO Ziming, LIU Guohua, XUAN Xuefei

(KeyLab.ofRFCircuitandSystem,MinistryofEducation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Power amplifiers(PA) are required to be broadband in order to cover the frequency bands of the three major mobile carriers(China Mobile, China Telecom and China Unicom). In this paper, a PA is designed with bandwidth from 1.2 GHz to 2.6 GHz (providing full coverage for mobile carrier services and compass navigation system), drain efficiency of 60%～90%, fractional bandwidth of 73%, average output power of 10W or more and large signal gain of 10～12 dB. A set of key scientific issues are resolved regarding obtaining both high-efficiency and broadband GaN PAs. The topology of harmonic impedance matching is studied to improve broadband high-efficiency properties. The fundamental stepped matching and harmonic control network design is proposed which provides a promising approach for future efficient broadband PA study for 4G base stations.

high-efficiency; broadband; power amplifier; stepped matching; harmonic control network; wireless communication system

10.13954/j.cnki.hdu.2017.03.001

2016-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61306100)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LZ16F010001);浙江省公益技術(shù)研究資助項(xiàng)目(2016C31070)

程知群(1964-)，男，安徽巢湖人，教授，射頻電路與系統(tǒng).

TN454

A

1001-9146(2017)03-0001-05