高效率基站功率放大器的设计探究

摘要：现阶段无线通讯网络技术发展迅速，手机、无线局域网等无线通讯系统已经覆盖了现代社会的各个角落，在这一背景下，基站的效率越来越得到人们的重视。文章针对基站公路放大器可能会受到周围环境的影响，从而影响基站运作实效出发，提出一种高效率的基站放功率大器的设计办法，力求使各工作参数得到优化，扩大基站覆盖区域。

关键词：高效率基站；功率放大器；抗阻匹配；无线通讯网络技术；基站动作 文献标识码：A

中图分类号：TN722 文章编号：1009-2374（2015）17-0030-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.17.015

随着当前无线通信事业的繁荣发展，无线通信用户数量在我国呈几何倍增长，与此同时人们对通信质量也有了更高的要求标准。基站功率放大器（以下简称为功放器）是基站中对基站耗能与通信质量影响较大的重要部分，其输出功率还直接对覆盖区域的面积、距离长短等有着直接关联，因此探讨高效率基站功放器的设计对于提升通信质量，减少基站耗能的意义重大。

1 高效率基站功放器设计的整体构架

在基站功放器的设计中，如果没有选择合适的抗阻网络进行匹配的话，将会使电路的输出功率降低，进而影响工作效率，增加非线性失真情况。在小信号功放器的设计中，可通过输入与输出的共轭匹配的方式解决此种问题，但当处在大信号工作状态时，因进入到了非线性区后，功率管的负载阻抗的最佳值会根据输入信号的不同而发生改变，所以我们在小信号状态下所设计的输出与输入共轭匹配也就会因此发生变化，从而不再相匹配，我们也就不能采用小信号功放器的设计理念进行大信号状态下的功放器设计。针对此种情况，本次研究利用负载牵引的方式对输入与输出的匹配电力进行设计，此种方式的设计依据是要使功放器能够在大信号激励下，根据负载的改变情况绘制出输出的功率曲线，以此找出在最大输出功率状态下的负载最佳值。

本次设计采用的由Aglient公司所研发的ADS仿真软件，通过负载前引发进行仿真，所设计的基站功放器主体结构为Freescale半导体的LDMOS晶体管MRF282S。频率的设计参数2GHz，输出效率大于35%，输出功率设定为6.5W，三阶交调系数设定为IMD3<-26dBc。

2 功放器设计的基本理论与主要指标

功放器的作用主要是使高频信号放大至接收机所需要的功率标准，它对所输出的效率及功率都具有一定的要求标准：输出功率与效率都要尽量高，此外功放器必须能够在频段内保持稳定工作，而以上内容的实现都和源阻抗、负载阻抗等有着直接关系。负载处输出功率与放大器间的功率比，也就是基站功放器的功率增益，通常应超过6dB。互调失真指的是几个信号同时通过放大器时所生成的混合分量，这也是功放器设计中需要考虑的重要指标。其是因功放器的非线性而得，大小通过交调系数表达。这其中的三阶交调分类和基波信号在频率方面十分接近，因此也要着重对IMD3，也就是三阶交调系数进行考虑。

3 高效率基站功率放大器的设计过程

此次的基站高效率功放器的设计采用的是LDMOS晶体管MRF282S，这一晶体管是N沟道的加强版横向MOSFET，并主要是在A类与AB类的PCS以及PCN基站中工作，其工作频率最高可达搭配2600MHz，此种半导体晶体管尤其适用在FM.CDMA以及多载波的功放器设计中。此外本次设计悬案用此种晶体管还可有效提升功放器的增益，并且成本低，具备良好的线性度，具有一定可行性。

3.1 静态工作点的确定

静态工作点对功放器的工作状态会产生一定影响，此次设计中的静态工作点的确定首先采用FET_curve_tracer的模板，之后将飞思卡尔模型放入其中，再选取MRF282S，于ADS中构建支流扫描模型，并模拟电路仿真运行，由此取得支流特性曲线。通过仿真结果得到静态工作点、栅极电压等。

3.2 稳定性分析与偏置电路

要想使功放器能够在工作频段中维持长时间的稳定工作，就必须使其工作频率保持稳定。而想要明确是否满足稳定条件需要依照功放器的稳定因子进行判断，其公式为：

本次研究首先通过仿真确定静态工作点，通过对确定静态工作点的过程中得到的电路图能够看出其稳定因子不足1，那么功放器在此种状态下就无法保证工作的稳定性。为了保证功放器的工作稳定，本次研究采用在输入端将电阻与电容同时并联的方式作为操作稳定的办法，经过仿真试验，此种方式能够提升功放器的稳定性，且结构简便，易于实现。

3.3 基于负载牵引法的设计

本次设计采用了负载牵引法作为设计原理，该原理是先使功放器在大信号状态下得到激励，在一定合理的范围内对不断发生变化的负载阻抗进行激励，并绘制公路曲线，以此找出处在最大功率下的负载最佳值。在取得负载的最佳值后，利用SMITH元图开展阻抗匹配的仿真。本次设计采用的方式是利用几段串联传输线和间隔配置并联电容组共同构成匹配网，进行抗阻匹配。此种方式在实际中也较为常见，因通过电容改变的值和电容处在传输线中的具体位置能够得出很宽的电流参数范围，由此一来在电容图完成之后，也可适当调整相关参数。本次设计采用的数据线均是统一宽度，这种方式也可有效减少工作难度。

输入匹配电路与输出匹配电路的构成流程大致相同，首先把输出匹配电力加入至主电路中，再根据同样的负载前沿原理得出源抗阻，最后通过smith元图得出输入匹配的电路。

当得出输出与输入匹配电力之后，就可对整个电路图进行构建了，通过对元件值以及电路结构的整体优化，最终完成功放器的设计，其仿真结果见图1所示：

通过仿真结果可以看出，当此方案设计的功放器工作频率达2GHz时，且输入的功率达32dBm，输入的附加效率可高达39%左右，如果输出功率达38.295dBm时，输出功率就能实现6.5W。如果输入功率达32dBm后，IMD3是能够满足设计要求的。

通过本次仿真结果和同类功率管的特征曲线进行比较，能够得出两者一致的结果，但也稍有差异，造成此种情况的原因可能和在实际操作中器件存在一定的不稳定性有关。

4 结语

本次研究通过负载牵引法对高效率的基站功放器进行设计，并采用ADS仿真系统进行仿真，从仿真结果可以看出本次设计是可行的，通过此次设计，能够使基站功放器的各工作参数得到优化，缩短研发周期，节约投资成本，扩大基站覆盖区域，并将其预期效果最大化发挥出来，值得进一步推广。

参考文献

[1] 李咏梅.高效率射频功率放大器的设计[D].武汉工程大学，2013.

[2] 南敬昌，方杨，李厚儒.高效率高线性度功率放大器的设计与实现[J].固体电子学研究与进展，2013，（3）.

[3] 侯宪允，游飞，丁炫，童仁彬，何松柏.一种宽带高效率J类功率放大器的设计[J].中国电子科学研究院学报，2012，（6）.

[4] 何业军，李健锋，章颖.采用射频预失真的新型大功率Doherty功放设计与实现[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2013，（5）.

作者简介：杨鑫（1978-），男，河北昌黎人，中国民航飞行学院洛阳分院工程师，研究方向：民用航空机务维修。

（责任编辑：周 琼）