微波功率放大器的線性化設(shè)計(jì)及實(shí)踐

陳剛

（中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司 河北石家莊 050000）

在新的通信體系結(jié)構(gòu)之中，要想達(dá)到最佳的數(shù)字傳輸工作效果，讓整個(gè)傳輸?shù)墓ぷ髻|(zhì)量相對(duì)較高，就應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)手段，重新調(diào)整不同的工作方式，讓傳輸?shù)男盘?hào)更加穩(wěn)定。這種模式下所產(chǎn)生的非線性特點(diǎn)及多樣化的工作形式都能對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行細(xì)致化的傳輸和工作推進(jìn)，從而讓內(nèi)部的失真環(huán)境下誤碼情況時(shí)有發(fā)生，這就讓這種失真結(jié)構(gòu)下臨波道產(chǎn)生出直接的影響作用。大容量環(huán)境下，所有間的微博通信系統(tǒng)本身對(duì)于放大線性質(zhì)量要求較高。因此，其本身對(duì)于微博功效下的線性化工作技術(shù)推進(jìn)，已經(jīng)成為當(dāng)前時(shí)代發(fā)展之中的一種具體的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段。而前匱法、負(fù)反饋法、預(yù)失真法等相關(guān)的技術(shù)操作方式都是常用的顯性化技術(shù)手段，在高新技術(shù)管理之中，若是遺失相關(guān)的技術(shù)手段，就會(huì)使前景下的高新技術(shù)受到制約，其本身也具備著較為穩(wěn)定、高效的工作優(yōu)勢(shì)［1］。

1 基于氮化鎵芯片的Doherty功放設(shè)計(jì)理念及重要性

1.1 基于氮化鎵芯片的Doherty功放選型原則

微波晶體管已在軍工領(lǐng)域和通訊領(lǐng)域起到了重大影響，在3GHz 以下的波段和S 波段基站通訊領(lǐng)域，LDMOS元件在增益、線性率、開關(guān)特性、散熱特點(diǎn)和減少級(jí)數(shù)等方面優(yōu)越性突出。而隨著應(yīng)用頻段的增加，砷化鎵和氮化鎵芯片逐漸了揮發(fā)主要功能。砷化鎵器件的功率密度能達(dá)到1.57W/kg，已超過(guò)其材料的物理限制，因此，為了適應(yīng)更高頻大功率微波器件的使用要求，寬禁帶將半導(dǎo)體收音機(jī)材料作為重點(diǎn)的研發(fā)方向，而氮化鎵材料和其他半導(dǎo)體材料相比較而言，優(yōu)越性更加突出，其禁帶寬度超過(guò)了3.4V，擊穿電荷也超過(guò)了5×10°V/cm，而且氮化鎵晶片的遷移電子速度也較快，并且還可能生成ALGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)，由于巨大的自發(fā)極化電荷和壓電極化電流的因素，ALGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)還能生成含量很大的二維電子氣，從而達(dá)到了很大的峰值電子產(chǎn)品速度和飽和電子產(chǎn)品速度。在高頻大功率應(yīng)用中，氮化鎵芯片更富有魅力，因此，本論文設(shè)計(jì)的高功放設(shè)備都選用了氮化鎵芯片，主要選用美國(guó)Cree 公司的氮化鎵功放式CGH55015 芯片，它有法蘭形和表貼兩個(gè)密封型式。

1.2 基于氮化鎵芯片的Doherty功放設(shè)計(jì)原則

（1）研究C頻段固態(tài)功率放大電路的技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)砷化鎵與氮化鎵功率放大做了性能指標(biāo)比較，并選用美國(guó)Cree 公司的CGH55015，完成了Doherty 功率放大方案設(shè)計(jì)，同時(shí)，利用ADS仿真軟件，完成了輸出功率、增益、效率、穩(wěn)定性等指標(biāo)模擬，并進(jìn)行了印制板和盒體工藝設(shè)計(jì)，完成了技術(shù)性指標(biāo)試驗(yàn)［2］。

（2）通過(guò)綜合比較了各種功率放大線性化方式，并選用了Scintera公司的射頻預(yù)失真芯片，成功實(shí)現(xiàn)了放大器模擬與變頻模式二種射頻預(yù)失真方式，每一方法均進(jìn)行了電路的仿真設(shè)計(jì)和技術(shù)性指標(biāo)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果均基本符合指標(biāo)要求。

（3）使用FPGA 和DSP，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字預(yù)失真設(shè)計(jì)DPD，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了基帶集成電路、射頻電路、反饋通路等的硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程及FPGA、DSP 軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，并完成了大量的仿真測(cè)試，技術(shù)性指標(biāo)基本達(dá)到了工程設(shè)計(jì)要求。

1.3 基于氮化鎵芯片的Doherty功放設(shè)計(jì)的重要性

在進(jìn)行Doherty 功率放大集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)研究時(shí)，對(duì)功率放大的靜態(tài)工作點(diǎn)選取了偏置較深的-2.9V，從而增加了功率放大的飽和狀態(tài)效率；對(duì)匹配電路，不僅進(jìn)行了常規(guī)的基波模擬，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)二次諧波、三級(jí)諧波的模擬，從而大大提高了功放輸出功率和效能。

在現(xiàn)有的信息結(jié)構(gòu)支持下，要想構(gòu)建出一種完備的射頻預(yù)失真電路設(shè)計(jì)工作，就要使用一定的仿真軟件進(jìn)行各個(gè)不同端口的匹配設(shè)計(jì)模式，這種方式的推進(jìn)不僅保證了其可操作性，也有效地提升了芯片本身的預(yù)失真性，對(duì)于變頻模式結(jié)構(gòu)下的預(yù)失真現(xiàn)象及基礎(chǔ)的理論進(jìn)行研究分析和綜合判斷。

在全面推動(dòng)失真技術(shù)的分析操作和技術(shù)管理過(guò)程中，技術(shù)人員要對(duì)于失真技術(shù)操作使用較為高效的環(huán)節(jié)進(jìn)行問(wèn)題的收集整理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間、幅度、功率進(jìn)行分析，從而有效地降低相關(guān)模型的精度及復(fù)雜度。在進(jìn)行多樣化的技術(shù)分析和實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，不同的載波效果最終輸出的結(jié)果和傳輸?shù)男阅芤灿幸欢ǖ牟町愋?。將?shù)字預(yù)失真電路在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信控制系統(tǒng)之中進(jìn)行優(yōu)化，增加輸出的功率，保證了利用率質(zhì)量的提升。

2 Doherty功放原理

小信號(hào)階段，輔助功放工作于C級(jí)。第二階段，當(dāng)輸入信號(hào)電平逼近于飽和點(diǎn)，從輔助功放變壓器開始，隨著輔助功放變壓器的推挽輸出功能，等效負(fù)載逐漸從2Zo向Zo方向減小，輔助功放變壓器也開始導(dǎo)通，有效負(fù)載從開路狀態(tài)逐漸向Zo方向轉(zhuǎn)變，當(dāng)主功放達(dá)到飽和時(shí)，得到飽和輸出功率。第三階段，隨著主功率放大器電壓和輔助功放變壓器輸出電流的增加，主功率放大器出口電壓恒定，并維持較高效率，負(fù)荷也不斷下降，當(dāng)輔助功率放大到達(dá)飽和時(shí)，所有負(fù)荷都變成了Zo，電壓到達(dá)最大，功率輸出也到達(dá)了最高［3］。因此，在實(shí)際的技術(shù)管理和實(shí)驗(yàn)分析的背景下，相關(guān)的技術(shù)人員要選擇合適的工作方式和技術(shù)參數(shù)，優(yōu)化功放管理質(zhì)量，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和數(shù)據(jù)分析的方式，提升管理成效，附近各項(xiàng)工作的全面推動(dòng)。

3 Doherty功放仿真設(shè)計(jì)

依據(jù)Doherty 功放工作原理，實(shí)驗(yàn)在下一步進(jìn)行Doherty 功放的仿真設(shè)計(jì)。微波系統(tǒng)仿真軟件主要選用了Agilent公司的ADS系統(tǒng)（Advanced Design System），仿真設(shè)計(jì)電路包括偏置集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、源和負(fù)載的牽引設(shè)計(jì)、輸入輸出匹配電路設(shè)計(jì)、AB類功放設(shè)計(jì)、C類功放設(shè)計(jì)。

3.1 靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)

利用ADS 的FETCurve Tracer 模板進(jìn)行DC 掃描，選擇功放管的直流偏置點(diǎn)，得到的漏極曲線，按照CGH55015 的數(shù)據(jù)手冊(cè)建議，可以選用漏極工作電流110mA為靜態(tài)工作電流，由仿真曲線便可得知，此時(shí)的柵極偏置電壓為2.9V，而漏極電流+28V，則管子的靜態(tài)功率大約為3.115W。

3.2 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

為了提高大功放電路的工作穩(wěn)定性，就需要對(duì)其通過(guò)工作穩(wěn)定性加以模擬，并設(shè)計(jì)合理的穩(wěn)壓電路。使用S-PARA 仿真掃描，獲得功放的穩(wěn)定因子K，得到電路和掃描檢查結(jié)果。掃描結(jié)果中，CGH55015 的高頻震蕩發(fā)生在10.5GHz 之上，而低頻震蕩則發(fā)生在4GHz 之下，而由于需要調(diào)整功放全頻段內(nèi)的絕對(duì)平衡，因此，需要利用穩(wěn)壓電路調(diào)整功率放大后的絕對(duì)穩(wěn)定因子，使之在全頻段內(nèi)的K值等于1。本文通過(guò)采用在柵極的輸入端口并聯(lián)電阻或在柵壓偏置電路中并聯(lián)電阻的方式，改善了功率放大的穩(wěn)定性，得到并聯(lián)電阻的穩(wěn)定性仿真結(jié)果，結(jié)果說(shuō)明，在全頻段內(nèi)，穩(wěn)定性因子均高于1，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。只有實(shí)現(xiàn)電路的穩(wěn)定設(shè)計(jì)，才能夠保證功放的效率趨于平穩(wěn)，這樣就能夠提供良好的工作前提。因此，本文所選擇的電阻設(shè)計(jì)阻值較大，以達(dá)到穩(wěn)定電路的目的，同時(shí)，在之后的測(cè)試階段當(dāng)中，如果功放未激活，則可以逐步減小阻值［4］。

3.3 源和負(fù)載牽引設(shè)計(jì)

當(dāng)穩(wěn)定電路確認(rèn)，就可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)功放源及相應(yīng)的負(fù)載牽引，從而達(dá)到考察輸入端基波阻抗的目的，分析輸出端基波阻抗二次、輸出端基波阻抗三次諧波分量對(duì)于功放效率所產(chǎn)生的影響，得到仿真電路的結(jié)果，從而促進(jìn)迭代仿真的形成，得到在55.47%最大功率之下的阻抗值。

3.4 輸入輸出匹配電路設(shè)計(jì)

在當(dāng)前的市場(chǎng)環(huán)境之中，要充分認(rèn)識(shí)到康匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)工作本身就是微波功率放大器工作的主要設(shè)計(jì)過(guò)程，其中所包含的不同匹配電路設(shè)計(jì)對(duì)后期的工作有著較為直接的影響。若是配合的集成電路本身產(chǎn)品設(shè)計(jì)選擇事物，就會(huì)導(dǎo)致電路內(nèi)部振動(dòng)產(chǎn)生問(wèn)題，集成電路本身的穩(wěn)定性降低，功放非線性的實(shí)際失真效果凸顯，直接對(duì)功放質(zhì)量產(chǎn)生沖擊。在多數(shù)的環(huán)境下，若是放大器的源頭與負(fù)載多數(shù)都有一個(gè)相同的數(shù)據(jù)變化，在設(shè)計(jì)的一端的大小也會(huì)與之相同，而另一端電阻則會(huì)呈現(xiàn)出復(fù)數(shù)增加的趨勢(shì)。當(dāng)放大集成電路的輸入樁呈現(xiàn)出不同的形態(tài)時(shí)，可以通過(guò)并聯(lián)點(diǎn)對(duì)匹配的電路進(jìn)行優(yōu)化。這個(gè)過(guò)程中，所有工作的規(guī)范相對(duì)較為合理，若不能按照匹配的基礎(chǔ)要求進(jìn)行工作，就會(huì)導(dǎo)致多種設(shè)計(jì)效果出現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)，很多工藝設(shè)計(jì)的實(shí)際難度也會(huì)增大。在放大器的長(zhǎng)度在要求的基礎(chǔ)上，只能選擇一個(gè)較短的阻抗實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變換。設(shè)計(jì)輸入、輸出本身的匹配電路，要著重對(duì)于工作的特點(diǎn)和質(zhì)量進(jìn)行分析，同時(shí)，也要滿足節(jié)能的技術(shù)指標(biāo)要求。

在實(shí)現(xiàn)大負(fù)載牽引的環(huán)境下，對(duì)于整個(gè)操作環(huán)境出現(xiàn)的直接的影響就是波阻抗及第二次的諧波，對(duì)于后期所產(chǎn)生的諧波影像能力則會(huì)較弱，為此，在完成相關(guān)的匹配線路分析的過(guò)程中，必須要保障基波及第二次諧波的匹配度，之后再實(shí)施3 次設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過(guò)不同的設(shè)計(jì)軟件所呈現(xiàn)的模板，設(shè)計(jì)出滿足要求的匹配電路，得到一定的仿真效果，可以使用1/4 薄產(chǎn)的最短線路實(shí)現(xiàn)基波完成操作，第二次諧波傳輸變?yōu)槎章返男Ч?。使用一條L 形狀的基波完成阻抗匹配，使用同樣的方法，可以進(jìn)行與輸入匹配電路的設(shè)計(jì)［5］。

3.5 AB類功放仿真設(shè)計(jì)

AB 類功放的仿真設(shè)計(jì)主要依據(jù)相應(yīng)的輸入和輸出匹配電路來(lái)完成，通過(guò)整體的模型來(lái)代替電路當(dāng)中的理想元件模型，并且在其中加入電源濾波單元、T型結(jié)及扇形線，從而最終得到一個(gè)完整的AB類功放仿真電路。在得到仿真的結(jié)果之后，該功放5.6～5.9GHz 頻率時(shí)，最小信號(hào)增益范圍在11.8～12.7dB 以上，帶內(nèi)最大波動(dòng)范圍小于1dB，完全時(shí)飽和輸出功率為42.8dBm，最大漏極效率為65.9%。功率回退6dB 時(shí)，總漏極輸出功率36.50dBm，漏極利用率為43.2%。

3.6 C類功放設(shè)計(jì)

按照以上AB型功放的標(biāo)準(zhǔn)流程設(shè)計(jì)C型功放變壓器時(shí)，在輸出端口串聯(lián)1/4 波長(zhǎng)電阻變換導(dǎo)線，利用該電阻線，使小信號(hào)時(shí)C類功放變壓器為開路狀態(tài)。由于C型功放式變壓器偏置很深，穩(wěn)定性較好，但是增益較低，因此可以將穩(wěn)壓電流調(diào)小，從而改善其增益。在此處可以將穩(wěn)壓電流設(shè)為0，而柵極電流則設(shè)為-6.4V。

3.7 Doherty 電路仿真設(shè)計(jì)

按照上文所描述的Doherty功率放大器構(gòu)造，可以進(jìn)行對(duì)整個(gè)Doherty 功率放大器的模擬試驗(yàn)。在試驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中，前端部分增加了微帶功分器，這樣就可以帶入3dB 的插入損耗，從而使得飽和輸出功率達(dá)到43.83dBm，功放效益能夠達(dá)到8.8～9.3dB，總體效率在60%之上，從而滿足設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求［6］。

3.8 整體電路及PCB設(shè)計(jì)

完成整體電路及PCB 設(shè)計(jì)之時(shí)，要先從ADS 里制作仿真版圖，接著使用畫圖工具ProtelDXP進(jìn)行電路板的繪制，選擇板材為Rogers4350，印制板厚為0.76mm，介電常數(shù)為3.5，在繪制版圖時(shí)注意以下幾點(diǎn)。（1）偏置電路和電源濾波電路的設(shè)計(jì)不能影響射頻通信。（2）電路板的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)兼顧雙面設(shè)計(jì)，在頂層用來(lái)繪制微帶電路，在底層用來(lái)作為接地，從而實(shí)現(xiàn)提高微波電路性

能的功用。（3）利用螺釘來(lái)固定印制板，并且注重各個(gè)接地點(diǎn)都保持就近接地原則，得到繪制完成的PCB，然后，再按照集成電路板寬度和功率放大固定孔的位置加工盒體。由于盒體使用了鋁材加工，所以盒體的寬窄對(duì)微波放大器影響較大，長(zhǎng)度約需相當(dāng)于放大電路工作波段的一半波長(zhǎng)，如果不滿足上述條件，就會(huì)在盒體形成波導(dǎo)式傳輸，在微帶線的跳變點(diǎn)、開路端形成微波輻射，會(huì)產(chǎn)生放大集成電路帶內(nèi)增益的均勻率變差，還會(huì)產(chǎn)生自激振蕩式，最后把印制板裝入加工好的盒體內(nèi)，完成完整的Doherty功放設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先研究了功率放大線性化的研究原則和重要性，對(duì)其相關(guān)選型原則、設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了總結(jié)剖析。其次，闡述了公司微波功率放大器的基本技術(shù)指標(biāo)和非線性特點(diǎn)，并按照公司項(xiàng)目使用條件，利用氮化鎵芯片，設(shè)計(jì)了一種C 頻段的Doherty 功率放大器，該放大器有較高的輸出功率和工作效率，但氮化鎵功放有超高遷移率，因此線性較差，如果使用于OFDM、64QAM等對(duì)線性要求較高的場(chǎng)合，則需要對(duì)它進(jìn)行線性化處理。本文通過(guò)射頻失真和數(shù)字預(yù)失真兩個(gè)方法對(duì)該功放系統(tǒng)進(jìn)行了線性化設(shè)計(jì)，對(duì)Doherty功放仿真進(jìn)行了詳盡的電路設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)和指標(biāo)試驗(yàn)，從而達(dá)到了工程設(shè)計(jì)目標(biāo)和全機(jī)的使用條件。