基于諧波控制網(wǎng)絡(luò)的雙頻高效率功率放大器

文 翰,馮文杰

(華南理工大學(xué)廣東省毫米波太赫茲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州510641)

隨著對(duì)高速率通信和高質(zhì)量信息服務(wù)的需求不斷增加,現(xiàn)代通信系統(tǒng)必須進(jìn)行相應(yīng)的更新。無(wú)線通信系統(tǒng)的各種標(biāo)準(zhǔn),如寬帶碼分多址( wideband code division multiple access,WCDMA)、長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution,LTE )和全球互操作性微波接入(world interoperability for microwave access,WIMAX)等,促進(jìn)了對(duì)支持多頻段運(yùn)營(yíng)模塊的重視和研究,提高了電信設(shè)備的集成度,降低了設(shè)備成本。

為實(shí)現(xiàn)雙頻工作模式的同時(shí)提高功率放大器(power amplifier,PA)的性能,研究人員嘗試采用開(kāi)關(guān)、耦合線、變?nèi)荻O管和其他可重構(gòu)組件等電子可調(diào)諧器件[1-3]設(shè)計(jì)雙頻功率放大器,但采用此類(lèi)設(shè)計(jì)的雙頻功放實(shí)際上仍是單頻帶功放,需額外的控制電路切換頻率,這會(huì)使整個(gè)電路尺寸變大,相應(yīng)的成本也會(huì)增加。此外,該類(lèi)設(shè)計(jì)方案并不能實(shí)現(xiàn)并發(fā)工作,在實(shí)際應(yīng)用中不夠方便。文獻(xiàn)[4-7]通過(guò)對(duì)無(wú)源雙頻器件的進(jìn)一步研究,將其應(yīng)用于功率放大器中,在兩個(gè)工作頻率處匹配最優(yōu)阻抗,使功放能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有效雙頻信號(hào)的放大。

為了實(shí)現(xiàn)高效率功率放大器,保證其盡可能低的功耗,必須使晶體管輸出電壓和電流的時(shí)域波形交替出現(xiàn)而不重疊。因此,為了滿足相應(yīng)的負(fù)載阻抗條件,文獻(xiàn)[8-10]提出了不同的PA模式,如F類(lèi)和逆F類(lèi),包括其連續(xù)模式,已成為當(dāng)前高效率PA的主要候選模式。然而,這些PA需要精確地控制多個(gè)諧波終端,使漏極電壓和電流波形變?yōu)榉讲ɑ虬胝也?。特別是對(duì)于雙頻PA,如果同時(shí)考慮二次諧波和三次諧波,電路的計(jì)算會(huì)比較復(fù)雜。因此為了克服高次諧波負(fù)載阻抗條件,Cripps和Wright等[11-12]創(chuàng)新地提出了一種J類(lèi)PA模式的設(shè)計(jì)方法,只需將二次諧波阻抗設(shè)置在史密斯圓圖的虛部范圍,這在實(shí)際工程中易于實(shí)現(xiàn),且可獲得寬帶特性。目前J類(lèi)功率放大器在理論上已逐步得到完善,新型J類(lèi)功率放大器的研究還在不斷開(kāi)展。

本文提出了一種基于寄生網(wǎng)絡(luò)的2.4, 3.5 GHz雙頻高效率阻抗型連續(xù)J類(lèi)功率放大器,采用多根帶枝節(jié)微帶線結(jié)構(gòu)控制雙頻段基波匹配和抑制二次諧波。分析了該J類(lèi)功放的設(shè)計(jì)理論與過(guò)程,并進(jìn)行了模擬仿真,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性和優(yōu)勢(shì)。

1 理論與設(shè)計(jì)過(guò)程

圖1為雙頻阻抗型連續(xù)J類(lèi)模式功率放大器電路原理圖。該電路的設(shè)計(jì)需考慮有源器件的選擇、寄生參數(shù)模型、阻抗型J類(lèi)PA的阻抗空間及設(shè)計(jì)過(guò)程。

1.1 有源器件的選擇

只有準(zhǔn)確地描述器件的非線性行為,最終才能更好地進(jìn)行加工測(cè)試。為了提高在2.4 GHz和3.5 GHz時(shí)功率放大器的效率和輸出功率,必須準(zhǔn)確確定電流源(I.Gen)平面(也稱本征漏極平面)的最佳雙頻輸出基波阻抗和二次諧波阻抗。首先選擇合適的晶體管,常見(jiàn)的商用GaN HEMT晶體管,如Wolfspeed公司的 CGH40010,其工作頻率只能達(dá)到6 GHz,大于6 GHz時(shí),模型將和實(shí)際不吻合;第二代晶體管模型CG2H40010F的工作截止頻率能達(dá)到8 GHz,且在其他性能上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于工作頻率為3.5 GHz時(shí),PA的二次諧波頻率為7 GHz,因此,選擇晶體管CG2H40010F作為有源器件進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

1.2 寄生參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型

考慮到所提出的阻抗型連續(xù)J類(lèi)雙頻PA對(duì)高精度寄生網(wǎng)絡(luò)的需求,本文采用了一種簡(jiǎn)化的單端口小信號(hào)寄生參數(shù)建模技術(shù),建立了帶有外部寄生元素的非線性GaN HEMT等效電路半物理模型,如圖2所示。圖2中：Cds為漏源電容;Rd為漏極電阻;Ld為漏極電感;Cpad為焊盤(pán)電容;Lbond為鍵合線電感;Cpin為引腳電容;Lpin為引腳電感。寄生網(wǎng)絡(luò)模型元件參數(shù)如表1所列。

表1 寄生網(wǎng)絡(luò)模型元件參數(shù)

由于PA大信號(hào)參數(shù)中的效率和功率與電流及電壓具有強(qiáng)相關(guān)性,本文在晶體管CG2H40010F封裝平面漏極設(shè)置與寄生參數(shù)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)應(yīng)的負(fù)對(duì)稱去嵌網(wǎng)絡(luò)。圖3為設(shè)置負(fù)對(duì)稱去嵌網(wǎng)絡(luò)前后CG2H40010F的電壓與電流的幅度與相位隨頻率的變化關(guān)系。由圖3可見(jiàn),在0～8 GHz設(shè)置負(fù)對(duì)稱去嵌網(wǎng)絡(luò)的CG2H40010F的仿真結(jié)果與CG2H40010F本征參數(shù)高度一致,可確定該寄生網(wǎng)絡(luò)模型與晶體管內(nèi)部本征模型達(dá)到高度吻合。

(a)I and I-phase vs. frequency

(b)V and V-phase vs. frequency

1.3 阻抗型連續(xù)J類(lèi)PA的阻抗空間理論

為提升效率且簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),雙頻功率放大器設(shè)計(jì)中采用了阻抗型J類(lèi)PA模式[13]的阻抗設(shè)計(jì)空間。定義電壓波形為vJ(θ),可表示為

vJ(θ)=VDD(1-cosθ)(1-αsinθ)(1+βcosθ)

(1)

其中：α為抗性參數(shù),β為阻性參數(shù),分別作用在等電阻圓和等電抗弧上對(duì)J類(lèi)阻抗空間進(jìn)行延展,α∈[-1,1],β∈[0,1];VDD為晶體管漏極電壓;θ為角度。

vN為N階電壓波形,可表示為

“我認(rèn)為，人們會(huì)想要完成所有那些事，”瓦爾科維奇說(shuō)——去往月球，去往火星，派更多飛船前往太陽(yáng)系中的其他地方，“許多爭(zhēng)論來(lái)自這項(xiàng)事實(shí)，即太空探索要耗費(fèi)大量資源，而資源投入是有限的?！蹦且馕吨邢薜呢?cái)政資助（尤其是因?yàn)榫退闶悄切┧接械奶仗剿鞴荆３Ｒ惨鲑囉谡暮贤┖陀邢薜臅r(shí)間：假如探索者聚焦于月球，就算是作為探索的前奏的話，那也很可能耽擱人類(lèi)的火星之旅。

(2)

其中：vN,R為實(shí)部參數(shù);vN,X為虛部參數(shù)。

將式(1)按式(2)的形式進(jìn)行擴(kuò)展

α(1-β)sinθcosθ-βcos2θ-αβsin3θ

(3)

B/J類(lèi)電流波形可表示為

(4)

其中,Imax為工作的最大電流。

B/J類(lèi)PA的N階阻抗ZN可表示為

(5)

(6)

(7)

其中：Ropt為最優(yōu)基波阻抗。令Vknee=0,Ropt可表示為

(8)

通過(guò)Matlab計(jì)算式(6)和式(7),其中：α∈[-1,1],步進(jìn)取為0.2,β∈[0,1],步進(jìn)取為0.1,將計(jì)算所得Z1,Z2的數(shù)據(jù)集導(dǎo)入軟件Origin,在史密斯圓圖上進(jìn)行作圖繪制,電流源平面阻抗型連續(xù)J類(lèi)PA基波和二次諧波阻抗設(shè)計(jì)空間如圖4所示。其中,黑色散點(diǎn)為基波阻抗空間,紅色散點(diǎn)為二次諧波阻抗空間。由圖4可見(jiàn),阻抗空間有極大的擴(kuò)展,而不僅局限于特殊阻抗點(diǎn)。

圖4 電流源平面阻抗型連續(xù)J類(lèi)PA基波和二次諧波阻抗設(shè)計(jì)空間

1.4 雙頻J類(lèi)PA阻抗控制電路

為方便起見(jiàn),通過(guò)ADS軟件的負(fù)載牽引系統(tǒng)選擇最優(yōu)阻抗時(shí),雙頻的基波阻抗選為同一阻抗(36+20 j)Ω。圖5為雙頻多枝節(jié)J類(lèi)PA阻抗控制電路示意圖。傳輸路徑主路上的3段黃色微帶線負(fù)責(zé)進(jìn)行2.4,3.5 GHz的雙頻匹配及將最優(yōu)復(fù)數(shù)阻抗轉(zhuǎn)換為實(shí)阻抗便于后續(xù)工作;下方的藍(lán)色雙段微帶線枝節(jié)等效為EllipticLC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò),提供4.8 GHz處急速下降的零點(diǎn),上方藍(lán)色接地微帶線枝節(jié)等效為接地電感,提供7 GHz處的零點(diǎn),并與漏極偏置電路共用;上下微帶線枝節(jié)分別抑制工作頻率為3.5,2.4 GHz時(shí)的二次諧波,并將其阻抗設(shè)置在史密斯圓圖虛部。

圖5 雙頻多枝節(jié)J類(lèi)阻抗控制電路示意圖

圖6為雙頻阻抗控制網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)及史密斯圓圖上阻抗隨頻率的變化關(guān)系。其中：m1,m2分別為工作頻率2.4,3.5 GHz;m3,m4分別為2.4,3.5 GHz對(duì)應(yīng)的二次諧波頻率。由圖6可見(jiàn),m1,m2,m3,m4均到達(dá)了圖4中的目標(biāo)連續(xù)J類(lèi)阻抗空間內(nèi),滿足了功放效率提升的理論條件。

(a)S-parameters

(b)Smith chart

1.5 雙頻PA原理圖與版圖

圖7為基于上述的設(shè)計(jì)步驟及理論提出的雙頻阻抗型J類(lèi)功率放大器原理圖與版圖。主要包括有源器件晶體管、雙頻J類(lèi)阻抗控制網(wǎng)絡(luò)、RC穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)、雙頻輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。為滿足回波損耗條件,雙頻輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)均利用多段階躍阻抗串聯(lián)傳輸線段對(duì)2.4,3.5 GHz的基波阻抗進(jìn)行匹配。

(a)Schematic diagram

(b)Layout

2 測(cè)試結(jié)果分析

本文的雙頻PA電路板采用羅杰斯公司的Rogers 5880板材,介電常數(shù)為2.2,厚度為0.51 mm,損耗正切為0.000 9。電路的銅皮厚度為35 μm。為了驗(yàn)證雙頻功率放大器的性能,根據(jù)圖7所示版圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)物制作,圖8為雙頻功率放大器實(shí)物與測(cè)試圖。

(a)Photograph

在直流測(cè)試過(guò)程中,需調(diào)節(jié)柵壓使漏極電流與仿真時(shí)一致。圖9為該雙頻PA的小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試結(jié)果。其中S11,S22,S21分別為輸入回波損耗、輸出回波損耗、傳輸插入損耗。由圖9可見(jiàn)：在低頻段最高增益處對(duì)應(yīng)的頻率為2.25 GHz;在高頻段最高增益處對(duì)應(yīng)的頻率為3.4 GHz,且高頻的S11有失配現(xiàn)象;PA的二次諧波抑制頻率為4.3 GHz與6.8 GHz;雙頻PA帶寬為150～200 MHz;輸出回波損耗S22在頻段內(nèi)表現(xiàn)較好。對(duì)本設(shè)計(jì)原定標(biāo)準(zhǔn)的工作頻率2.4,3.5 GHz和實(shí)測(cè)小信號(hào)增益最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率2.25,3.4 GHz的大信號(hào)參數(shù)進(jìn)行了連續(xù)波測(cè)試,結(jié)果如圖10所示。由圖10可見(jiàn)：在低頻2.25,2.4 GHz處,峰值漏極效率分別為65%,63.7%,飽和輸出功率分別為為41.5,40.4 dBm,線性增益分別為 17.3,15.4 dB,飽和增益分別為9.5,8.3 dB;在高頻3.4,3.5 GHz處,峰值漏極效率分別為69.2%,60.3%,飽和輸出功率分別為41.1,39.5 dBm,線性增益分別為 15.4,12.7 dB,飽和增益分別為9.1,7.5 dB。

圖9 雙頻PA小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試結(jié)果

(a)Low-frequency

(b)High-frequency

本文與近年來(lái)其他雙頻PA的性能對(duì)比如表2所列。由表2可知,本文設(shè)計(jì)的雙頻2.4,3.5 GHz高效率阻抗型連續(xù)J類(lèi)功率放大器在飽和增益、飽和輸出功率和峰值漏極效率上均有良好的性能表現(xiàn),同時(shí)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性和優(yōu)勢(shì),為今后的工作提供了思路。

表2 雙頻PA的性能對(duì)比

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于阻抗型連續(xù)J類(lèi)模式的雙頻寬帶功率放大器。首先自建寄生網(wǎng)絡(luò)模型,在CG2H40010F晶體管封裝平面進(jìn)行去嵌,驗(yàn)證了寄生參數(shù)網(wǎng)絡(luò)的正確性。從而得到電流源平面的負(fù)載牽引最優(yōu)阻抗,其次通過(guò)阻抗型連續(xù)J類(lèi)波形理論進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算,得到了PA阻抗設(shè)計(jì)空間,之后通過(guò)雙頻基波匹配與二次諧波控制網(wǎng)絡(luò),使最優(yōu)輸出阻抗達(dá)到目標(biāo)區(qū)域,來(lái)滿足提升效率的目的,與此同時(shí),雙頻的帶寬也得到了擴(kuò)展。測(cè)試結(jié)果表明,在漏極直流電壓為28 V, 柵極電壓為-2.53 V的偏置條件下,該功率放大器在2.4,3.5 GHz兩個(gè)工作頻率下,小信號(hào)參數(shù)中的線性增益為15.4,12.7 dB,大信號(hào)參數(shù)中的輸出飽和功率為40.4,39.5 dBm,峰值漏極效率為63.7%,60.3%,與之前的工作相比,該P(yáng)A性能有顯著的優(yōu)勢(shì),無(wú)線通信系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

致謝

感謝廣東省毫米波與太赫茲實(shí)驗(yàn)室給予的指導(dǎo)和幫助。