飞地系统230MHz线性功放设计

颜川江

中国船舶重工集团第七二三研究所，江苏扬州 225001

0 引言

飞地系统是一种把GSM信号移频到低频频段中进行远距离传输的系统。GSM频段信号在近端有移频模块将频率移至3M带宽的230MHz频段，在近端通过线性功放放大后经天线将信号发射出去，在远端把信号还原于原GSM频段，放大信号后覆盖。飞地系统可以很有效解决城市频率资源较为紧张的覆盖区和多丘陵、多山、森林等地区的信号问题。由于其传输频率工作比较低的频段，电波的绕射能力比较强，根据菲涅尔半径的计算公式菲涅尔半径的计算公式：R=0.5（λD）0.5其中λ为波长，D为两天线的距离，λ＝3×108 /f（m）。由此公式，我们可以看出，当频率f固定时，菲涅尔半径随着传输距离的增加而增大。同时，当距离固定时，菲涅尔半径随着频率的减小而增大。理论上230MHz的频率能克服超过天线70m高的障碍物。因此，飞地系统可适合用于山区，丘陵，农村，以及一些地震，泥石流多发生地带。

对于使用在近端230MHz频段的功放，跟GSM信号一样，对功放的线性要求同样比较苛刻。功放为此系统的核心，所以它的线性和稳定性直接决定着系统的工作质量。

1 功率放大器( PA) 分析与设计

1.1 设计指标

本文以飞地系统的项目需要的微波功率放大器为实例，集中讨论了PA 分析和设计的过程. 该放大器采用MW6S004N作为驱动放大管，MRF9060作为末级功放。设计的指标为：1）工作频率为232MHz～235MHz ；2）1 dB 压缩点输出功率为60 W；3）功率增益35dB 以上；4）IMD3 （三阶互调失真） 小于- 52dBc。

1.2 负载牵引法

由于厂家提供的MW6S004N 对应于频率范围为500MHz～3000MHz的S参数不能直接用来作为本次设计时的最佳源阻抗和负载阻抗.同样MRF9060的930MHz～960MHz的输入输出阻抗不能作为设计的参数。所以本文采用负载牵引法来得到其在232MHz～235MHz的源阻抗和负载阻抗值。为了使2只功率放大管工作在最佳状态下，并且充分发挥其潜力，对其负载牵引特性进行测量或仿真是必需的。负载牵引法，原理就是放大器在大信号电平激励下，通过连续变换负载测试输出功率，然后在SMITH阻抗圆图上画出等功率和等增益曲线。这样就可以选择适当的输出阻抗准确地设计功率放大器，达到所需的增益和输出功率。负载牵引技术可以由实际测量系统和高频电路设计辅助软件两种方式实现，但是搭建一个负载牵引测量系统的成本相当之大，而且不易实现。本文采用ADS 软件对上面所设计的功率放大器使用负载牵引（Loadpull）技术有规则的搜寻史密斯（Smith）圆图上的每个区域，确定最佳负载的阻抗值。国内外对这一方面也做很多的研究工作。同时，为了考虑到线性度和效率，我们采用了双音频负载牵引，这样就可以兼顾功率，效率和线性.本文中用Agilent ADS 软件来完成MW 6S004N和MRF9060 在232MHz～235MHz的源阻抗ZS 和负载阻抗ZL 的测试。负载牵引结果如图3所示，同一条等高线代表的是相同的输出功率，越趋向于中心点，输出功率越大，最中心点为最大输出功率，这是一个不断收敛的过程。为综合考虑输出功率、效率和线性，最终得出MW6S004N最佳负载阻抗值ZL= 0. 54 - j2.67 ，ZS = 1.24 - j4.25。同理可得MRF9060的最佳阻抗为ZL= 0.78 - j5.34， ZL= 0. 32 - j3.52下面我们就可以用得到的ZS 和ZL 来进行匹配网络设计。

1. 3 优化输入/输出匹配网络

在设计输入阻抗匹配电路时需要考虑稳定、增益、增益平坦、输入驻波比等，在输出匹配电路设计时需要考虑谐波抑制、输出驻波比、损耗等，在设计输出匹配电路之前，要仔细分析是按最大功率输出还是额度功率输出来选择输出阻抗参数，以便于得到需要的输出功率。在设计中，选择微带和电容组合的混合匹配电路，电路结构为n 个Γ 型电路串联而成 。满足最大增益的情况下，输出为4 235dBm。利用ADS的匹配优化，最终得出微带与电容的组合匹配。

2.功率放大器IM 3和IM 5的测试及优化

项目要求设计的功率放大器工作频段为230 MHz ，增益大于35 dB ，端口驻波比小于1. 5 ，输出功率大于41 dBm ，增益平坦度为±0.5dB。为了达到设计要求，采用两级放大形式，前级放大器采用LDMOS场效应管MW6S004N ，中间进行电容匹配以及预留一个3 dB的阻衰减器，用以调节两级放大管之间的驻波比，衰减器要考虑驱动级的输出线性度。末级采用飞思卡尔公司的场效应晶体管MRF9060 。

将匹配优化后的原理图另存后，然后删除所有的控件，Term及电源，用Port代替，建立模型，然后插入HB2TonePAE_Pswp模板。在原理图中执行菜单命令。将所有的参数设置后，进行仿真，从得出的出书IM3和IM5图中，我们可以根据需要适当的优化。最终将电路的原理设计完毕创建电路的印制电路板图了。

3 结论

本文采用 ADS 软件仿真优化设计了用于飞地系统的230MHz输出功率13W 的功率放大器，通过ADS负载牵引寻找出放大器的最佳源阻抗和负载阻抗、进行了放大器的输入输出匹配，以及IM3和IM5的仿真，最后倒出印刷电路板，经过测试得出了正确的设计方案。