AB类LDMOS基站大功率放大器设计

严伟国，刘成国，丁肇宇，吴志鹏

（武汉理工大学理学院 射频与微波技术研究中心，湖北 武汉 430070）

AB类LDMOS基站大功率放大器设计

严伟国，刘成国，丁肇宇，吴志鹏

（武汉理工大学理学院 射频与微波技术研究中心，湖北 武汉 430070）

功率放大器在现代无线通信系统中有着重要作用，AB类功率放大器因其能够平衡效率与线性度的关系被广泛研究使用；LDMOS晶体管因其优异的工作性能，是目前多种射频功率应用中主流的技术之一。采用LDMOS晶体管设计了一款工作频段在2.11～2.17 GHz的AB类功率放大器，完成了匹配电路的设计，在工作频段内S11＜-10 dB，S21＞18.7 dB，最大线性输出功率P1dB＞51 dBm，其相应的漏极效率在59%以上；从P1dB点回退6.5 dB点的漏极效率大于31%，上三阶交调为-35.9 dBc，下三阶交调为-35.6 dBc。仿真结果表明，设计的功率放大器可满足实际基站的应用需求。

功率放大器；阻抗匹配；LDMOS；AB类

功率放大器是无线通信系统的核心组件之一，在现代无线系统的发展中，AB类功率放大器因其能够很好地兼顾到效率和线性度而被广泛研究和使用，其应用有基站、雷达、微波单片集成电路，无线局域网等[1-4]。文献[1]利用LDMOS（Lateral Diffused Metaloxide-semiconductor）晶体管设计了一款输出功率为4 W用于基站的AB类功率放大器；文献[2]采用GaN（Gallium Nitride）晶体管设计了一款1.3 GHz用于雷达的AB类功率放大器；文献[3]采用LDMOS技术在集成电路中实现了工作频率为3.8 GHz的AB类功率放大器的设计；文献[4]介绍了一款频段在3～7 GHz可用于无线局域网的高效率AB类功率放大器。另外，AB类功率放大器也是许多效率提高技术以及线性化技术等使用和研究的基础；如Doherty技术[5]、包络跟踪技术[6]、数字预失真[7]等。

LDMOS晶体管增益大，击穿电压高，输出功率密度大，价格相对低廉，是当前使用的主流大功率晶体管之一。其应用频率在1 MHz～4 GHz，在雷达、广播、尤其是基站应用中被广泛采用[8]。GaN是新型的第三代半导体，因其能带间隙大，有更高的击穿电压，能够承受更大的输出功率密度，工作效率也更高，应用的频率可达到毫米波频段，并且能允许更大的带宽，在未来的5 G通信、60 GHz频段中有广泛的应用前景[9]。虽然GaN晶体管性能优异，但价格昂贵，使其大规模商用一定程度受阻；同时其高功率密度对晶体管工作时的散热要求也更高一些；目前基站应用中仍多采用LDMOS晶体管。

文中采用Freescale公司生产的MRF8S21120型号LDMOS晶体管设计了一款工作频段为2.11～2.17 GHz可用于LTE基站的AB类功率放大器，最大线性输出功率为51 dBm以上，相应漏极工作效率大于59%。文章首先对传统功率放大器的特性进行了分析；然后介绍了利用ADS（Advanced Designed System）软件设计AB类功率放大器的具体过程，包括：静态工作点确定、匹配电路设计、偏置电路设计、S参数仿真、谐波平衡仿真等；最后对设计工作进行了分析总结与展望。

1 传统功率放大器的分析

传统的功率放大器按照导通角大小可分为:A类、AB类、B类、C类；其漏极输出电流波形可表示为式（1）：

其中，α是导通角，Ids是漏极电流，Iq是静态工作电流，Ipk是射频信号峰值电流，Imax是晶体管漏极饱和电流，满足：cos（α/2）=-（Iq/Ipk）；Ipk=Imax-Iq。 对式（1）进行整理并做傅里叶变换，可以得到漏极电流的直流分量、基波分量和高次的谐波分量；式（2）是直流分量，式（3）代表基波分量，式（4）是n次谐波分量[10]。

功率放大器漏极效率定义是基波分量的功率比上直流分量的功率，通过式（2）和（3）结合定义得出功率放大器的理论最大漏极效率随导通角变化的表达式为：

AB类功率放大器导通角在180～360度之间，结合以上分析，最大效率可达到78.5%。图1给出了漏极电流的各分量随导通角变化的规律，当导通角在180～360度时，基波分量先增加后逐渐减小，但整体仍保持很大的值，说明AB类功率放大器有足够的基波输出功率；而且二次谐波分量及其他高次谐波分量大小远小于基波分量，线性度较好。AB类功率放大器有很好的设计灵活度，能够根据实际情况调整导通角大小，做到兼顾效率和线性度。

图1 漏极电流各分量大小随导通角变化的规律

2 AB类功率放大器的设计

2.1 静态工作点的确定

AB类功率放大器导通角在180～360度之间，参考MRF8S21120H晶体管提供的数据手册并结合实际基站功率放大器的应用需求，选取漏极偏压28 V，静态工作电流0.85 A为静态工作点。在ADS中对晶体管进行直流特性仿真，得到其直流工作特性曲线，图2描述了在不同栅极偏压下晶体管的漏极电流随漏极电压变化的规律，从图可得，当漏极电压为28 V，静态电流为0.848 A（十分接近0.85 A）时，对应的栅极工作电压为2.7 V[11]。

图2 晶体管直流特性曲线

2.2 匹配电路设计

根据共轭匹配的原则[12]为了使晶体管能够从信号源获取最大功率，晶体管输入阻抗Zin应与源阻抗共轭ZS，即：Zin=ZS*。在Smith图工具中使用传输线进行匹配电路设计，隔直电容也进入匹配，容值为6.8pF；在中心频点2.14 GHz将源阻抗的共轭值匹配到50欧姆。为了保证一定的带宽，在Q＜2的区域内进行匹配。传输线使用微带线实现，考虑到晶体管的封装尺寸，第一段匹配微带线的宽度应大于晶体管栅极宽度，并且微带线长度也要大于栅极金属片的长度，以便于焊接。同样地，晶体管的输出阻抗Zout应与负载阻抗ZL共轭，即Zout=ZL*；在Smith图中将中心频点处负载阻抗的共轭值匹配到50欧姆。

2.3 偏置电路设计

偏置电路的作用是给晶体管提供直流偏压同时又要防止射频信号泄漏；四分之一波长短路线可以实现这个功能[13]。微带线宽决定了它自身可承受的最大电流；栅极电流很小，微带线宽设为1.5 mm；漏极工作电流很大，微带线宽设为2.5 mm。在四分之一波长线末端加一个10 pF射频电容作为偏置线，栅极、漏极偏置电路输入阻抗幅度值如图3所示。

图3 偏置电路的阻抗

2.4 整体S参数仿真

根据Smith图中理想的传输线匹配电路，用微带线实现，电路板材为Rogers4350B，板厚0.765mm，铜箔厚度0.034mm；将输入匹配电路、输出匹配电路和偏置电路结合成一个整体进行仿真，整体的匹配电路如图4所示。连成一个整体后仿真结果会与单独设计匹配电路的结果产生一定的偏差，需要对匹配电路进行调试；另外进行原理图仿真后还要再进行原理图和版图协同仿真，使仿真结果更接近实际，反复微调输入匹配电路和输出匹配电路，得到最终仿真结果如图5所示，在2.11～2.17 GHz频段内S11＜-10 dB；S21＞18.7 dB，波动小于0.2 dB，符合实际基站应用要求。

图4 功率放大器的整体设计图

图5 S参数仿真的最终结果

2.5 谐波平衡仿真

S参数仿真用于设计晶体管初步的匹配电路，还需进行谐波平衡仿真，根据结果对输出和输入匹配电路进一步优化，在功率放大器的输出功率、漏极效率、线性度之间找到一个符合要求的平衡点[14]。主要进行单音和双音信号的仿真，单音信号用于仿真功率放大器的增益、P1dB点和效率；双音信号用于仿真功率放大器的IMD3（Third-order Intermodulation Distortion）及IMD5（Fifth-order Intermodulation Distortion）。图6给出在功率放大器的增益、效率、IMD3和IMD5随输出功率变化的曲线，在目标工作频段2.11～2.17 GHz内，增益大于18.6 dB，P1dB点大于51 dBm，相应漏极效率大于59%，6.5 dB功率回退范围内的效率在31%以上。仿真得到的最大效率小于理论分析的78.5%，这主要是由于“膝点”电压区的存在限制了射频信号的最大输出电压，同时仿真还考虑了板材损耗以及微带线的导体损耗[15]。在6.5 dB功率回退点上IMD3为-35.9 dBc、下三阶交调为-35.6 dBc、上五阶交调为-45.7 dBc，下五阶交调为-45.5 dBc；但随着输出功率增大趋于饱和时IMD3和IMD5都变得大于-30 dBc，线性度恶化，实际中使用需要结合数字预失真技术改善其线性度以提高通信质量[16]。

3 结束语

文中对AB类功率放大器的应用做了简单介绍，对LDMOS和GaN晶体管的优缺点进行了对比分析。对传统功率放大器的工作特性进行了理论分析，给出了漏极效率随导通角变化规律，绘制了漏极电流的直流分量、基波分量、高次谐波分量随导通角变化的曲线，说明了AB类功放的特性。并采用LDMOS晶体管设计了一款工作频段为2.11～2.17 GHz可用于LTE基站的AB类功率放大器，详细介绍了设计过程包括：静态工作点选取，匹配电路设计，偏置电路设计，S参数仿真，谐波平衡分析等。接下来工作是做出实际电路，进行测试，并与仿真结果进行对比。

图6 功率放大器增益、效率、IMD3、IMD5随输出功率变化曲线

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Design of AB class LDMOS power amplifier for base station applications

YAN Wei-guo，LIU Cheng-guo，DING Zhao-yu，WU Zhi-peng
（RF and Microwave Technology Research Center，School of science，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

Power amplifiers play a great important role in modern wireless communication systems，AB class power amplifier is widely employed and investigated for its good balance of efficiency and linearity；LDMOS transistor is one of the leading technology for a variety of RF applications because of its outstanding performance.A AB class power amplifier in band 2.11～2.17 GHz is designed exploiting LDMOS transistor，the design of impedance matching circuits is completed，in the working frequency range，S11＜-10 dB，S21＞18.7 dB，the maximum linear output power P1dB＞51 dBm，the corresponding efficiency is above 59%；the drain efficiency at 6.5 dB backoff point from P1dBis above 31%，the corresponding upper IMD3 is-35.9 dBc，the lower IMD3 is-35.6 dBc.The simulation results show that the designed power amplifier can meet the application requirements of base stations.

power amplifier；impedance matching；LDMOS；AB class

TN722

：A

：1674－6236（2017）05-0079-04

2016-02-19稿件编号：201602067

严伟国（1992—），男，湖北仙桃人，硕士研究生。研究方向：射频功率放大器的设计。