应用于无线通信的高效宽带GaN HEMT功率放大器

程知群，赵子明，刘国华，轩雪飞

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

应用于无线通信的高效宽带GaN HEMT功率放大器

程知群，赵子明，刘国华，轩雪飞

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

基于GaN器件设计了一款带宽达到1.2 GHz～2.6 GHz功率放大器，覆盖了移动、电信、联通三家运营商频段.漏级效率达到60%～88%，相对带宽达到73%，平均输出功率10 W以上，大信号增益为10～12 dB.采用基波阶跃式匹配与谐波控制网络进行设计，解决了同时兼有高效率和宽频带的GaN功率放大器中一系列关键性问题，为4G基站高效率宽带下的功率放大器研制提供一种新的实现途径和方法.

高效率；宽频带；功率放大器；阶跃式匹配 ；谐波控制网络；无线通信系统

0 引 言

20世纪80年代的高频、超高频和甚高频无线通信系统的发展不断推进了大功率晶体管和通信技术的创新发展.第三代与第四代通信系统逐渐出现并逐步进入普通用户的生活，更高的数据速率传输对功率放大器的高效率和良好的线性度提出了要求[1-3].目前中国移动采用的是TD-LTE技术，中国移动共获得130 MHz，分别为1 880 MHz～1 900 MHz，2 320 MHz～2 370 MHz，2 575 MHz～2 635 MHz；电信、联通采用的是FDD-LTE技术，中国电信的1.8 GHz频段为1 755 MHz～1 785 MHz/1 850 MHz～1 880 MHz，中国联通的2.1 GHz频段为1 955 MHz～1 980 MHz/2 145 MHz～2 170 MHz.北斗一二代导航频段B1为1 559 MHz～1 563 MHz，频点(1 561.098±2.046)MHz，频段B2为1 559 MHz～1 563 MHz，频点(1 207.14±2.046) MHz.随着上述通信系统标准的扩展，信号所工作的频率范围和带宽也在不断地扩大.为了满足通信网络和基站的不断升级更新，解决不同频带内信号的兼容性和运营成本，在设计功放上更加重视效率和带宽性能指标的设计.众所周知，功率放大器在整个射频系统中是非常重要的，高效宽带的功率放大器会增强整个射频系统的稳定性，节约整个射频系统的设计成本.特别是正在推广的第四代移动通信技术要求其基站用射频功率放大器具有高线性、高效率等高性能指标[4-7]，同时为了覆盖移动、电信、联通三家运营商及其北斗导航系统的工作频段，需要的功率放大器还需具有宽频带的性能.本文通过采用基波阶跃匹配和谐波控制的方法设计了高效宽带的功率放大器，带宽可覆盖移动、电信、联通、北斗导航通信系统的工作频段.

1 功率放大器的分析与实现

1.1 功放前期设计的要求

为了覆盖移动、电信、联通、北斗导航通信系统的工作频段，本文功放的设计指标确定为：工作带宽1.2 GHz～2.6 GHz，平均漏极效率70%(其中北斗导航系统频段的平均漏极效率需达到75%，4G通信系统频段的平均漏极效率需达到60%)，输出功率大于40 dBm，增益大于10 dB.由于Cree公司的GaN HEMT晶体管CGH40010F的正常工作范围为0 GHz～6 GHz具有击穿电压高、电子迁移率快等特点，同时提供了晶体管的大信号模型，满足大信号仿真的需求，本文的设计选择了该公司的晶体管器件[8-10].查看数据手册可得一般漏极电压Vds和漏极电流Ids的数值，通过对晶体管直流特性进行扫描，为了兼顾输出功率与效率，本设计中晶体管的静态工作点设定为漏极电压电流Vds=30 V和Ids=200 mA.

1.2 电路拓扑结构的设计

图1 不同频点的最佳输入阻抗与输出阻抗

首先利用实验室中的负载牵引系统loadpull和sourcepull进行牵引获得管子的最佳输入阻抗和最佳输出阻抗.晶体管在不同频率点的最佳输入与输出阻抗如图1所示.综合考虑之后可选取晶体管的最佳输入/输出阻抗分别为(6.383+j×7.976)Ω和(21.155+j×15.6)Ω.

一般采用多枝节匹配(多元件)的方式来进行设计匹配电路很难将功放的工作带宽拓宽，因为由于拓扑结构的枝节繁多，此种匹配方式很容易导致匹配过程中信号的泄露，窄带射频功放最佳负载阻抗一般是由ADS仿真软件或者实验室的负载牵引系统经过反复的迭代得到的，在负载牵引过程根据不同的指标要求(比如最高效率或者最大输出功率)来得出晶体管的实际匹配阻抗，然后将得出的最佳阻抗进行匹配，使整个设计电路达到最高效率或者最大输出功率.但是由于晶体管的寄生电容的影响，其输入和输出阻抗是根据频率不断变化的，无法保证设计的整个频段内都达到最佳阻抗匹配，同时每个频点的电路输出功率起伏很大，增益平坦度也无法达到要求，通过前期的仿真实验证明了这一点，此时就要同时考虑输出功率和增益平坦度的问题，对指标有所侧重，采用50 Ω进行负载阻抗匹配，以至于能同时保证增益平坦度和输出功率的指标要求.

输入端采用多支节微带线方式，为了改善电路的驻波系数，功放输入端一般都采用共轭匹配的方式.由于设计的电路频率比较高，在设计过程中采用了微带线匹配，大大的减少高频信号下电磁耦合的影响，采用muRata系列电容，其精确的模型也能进一步满足电路设计频率的要求.

输出端采用谐波控制电路与基波阶跃式匹配电路组合的方式进行电路匹配，一般匹配方式不考虑谐波问题，所以很难达到高效率的性能.本文采用十字形谐波控制结构同时控制二次谐波和三次谐波，传统的做法是电压与电流只要不同时出现就没有效率的损失，那么对应的漏极电压表达式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

因为本文设计的功放是宽带的，所以只能将二次谐波阻抗和三次谐波阻抗匹配到电抗的位置，从而达到全频带高效率的目的.阶跃式基波匹配结构无任何并联枝节能够减少信号在主路的损耗，进一步降低插损.阶跃式匹配电路在史密斯圆图上不断进行牵引从最佳阻抗点牵引到原点(50 Ω)，这样能尽可能地减小Q圆的半径，从而达到扩大带宽的效果.

(5)

式中，f为频率，BW为带宽，Q为品质因数，从式(5)中可知Q圆越小，带宽越大.基波的两种匹配方法如图2所示，图2(a)的设计采用一般的微带线多枝节匹配方式，可以看出Q=1，带宽较小，而图2(b)的设计采用阶跃式基波匹配，Q=0.5，带宽较大.因此本文设计采用图2(b)类型的匹配方式，效果更加好.

图2 基波的两种匹配方法

功放的整体设计电路如图3所示，其中的图3(a)、图3(b)分别显示了输入匹配和输出匹配电路.输入匹配中采用电阻R1与电容C2并联的结构，从而组成一个RC网络，这种结构既可以大大消除不同频率(高低频率)之间增益不平坦的问题，也改善并提高了整个工作带宽内的稳定性.电阻R2串联在直流电源和GaN HEMT晶体管的栅极之间，可以很好地提高电路的稳定性，因为理想状态下栅极电流为0，没有任何功率的消耗，也能避免发热，进而提高整个功率放大器的稳定性.输入与输出端的电容C1与C7的作用是为了扼制直流信号进入主路，防止测试过程中损坏测试仪器.偏置电路中采用λ/4微带线设计，利用λ/4微带线阻抗变换特性减小直流信号的泄露.

图3 功放的整体设计电路

2 整体的实物照片及其最终测试结果与分析

实际加工制作的电路图如图4(a)所示.本文对实际制作的电路进行了测试，选取的栅极电压Vgs=-2.78 V，漏极电压Vds=30 V.在大信号测试过程中，本次设计电路实际测试结果与仿真结果的对比如图4(b)所示.实测电路在工作频段1.2 GHz～2.6 GHz内，从测试结果上可以看出功1.2 GHz～1.8 GHz时平均效率基本在80%左右(北斗导航)，1.8 GHz～2.6 GHz平均效率在60%左右(4G频段)，其输出功率都在40 dBm以上，大信号增益为10～12 dB满足设计要求.

图4 功放的实际测试加工

本文采用了谐波控制匹配网络与基波阶跃式匹配网络组合的匹配方式进行设计，在整个电路网络的宽带高效匹配网络的设计上对GaN HEMT功率放大器的一些高效宽带的特点做了详细的理论分析与研究，从而使本设计的功放达到了高效率和宽频带的目的.最近几年的国内外文献设计方法的比较如表1所示.通过对比可以看出，本文所设计的功率放大器的测试结果在带宽(相对带宽73%)与效率(漏极效率60%～88%)性能指标还是优越的.

表1 不同设计方法的高效宽带功放指标对比

3 结束语

本文对于宽带高效率功率放大器的设计选择了合适的直流工作点、并利用基波阶跃式匹配电路来拓展功放带宽、进一步采用谐波匹配电路来提高本次设计的功率放大器的效率.此种方法对于设计高效宽带的功率放大器有一定的现实指导意义.通过对本次设计的实物电路进行不断测试，实际测试结果中功率放大器的主要指标(如信号增益和输出功率)与仿真结果相差很小，基本上能完全达到本次设计的性能要求，进而验证了设计的完整性.但是，由于组装的过程误差和焊接工艺的限制，实际测试结果还是存在一定的偏差.后期，通过查询相关资料发现测试过程中存在的问题，以求不断改进性能、调试参数，从而得到更加理想的结果.

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High Efficiency Broadband GaN HEMT Power Amplifier of Wireless Communication

CHENG Zhiqun, ZHAO Ziming, LIU Guohua, XUAN Xuefei

(KeyLab.ofRFCircuitandSystem,MinistryofEducation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Power amplifiers(PA) are required to be broadband in order to cover the frequency bands of the three major mobile carriers(China Mobile, China Telecom and China Unicom). In this paper, a PA is designed with bandwidth from 1.2 GHz to 2.6 GHz (providing full coverage for mobile carrier services and compass navigation system), drain efficiency of 60%～90%, fractional bandwidth of 73%, average output power of 10W or more and large signal gain of 10～12 dB. A set of key scientific issues are resolved regarding obtaining both high-efficiency and broadband GaN PAs. The topology of harmonic impedance matching is studied to improve broadband high-efficiency properties. The fundamental stepped matching and harmonic control network design is proposed which provides a promising approach for future efficient broadband PA study for 4G base stations.

high-efficiency; broadband; power amplifier; stepped matching; harmonic control network; wireless communication system

10.13954/j.cnki.hdu.2017.03.001

2016-12-23

国家自然科学基金资助项目(61306100)；浙江省自然科学基金资助项目(LZ16F010001);浙江省公益技术研究资助项目(2016C31070)

程知群(1964-)，男，安徽巢湖人，教授，射频电路与系统.

TN454

A

1001-9146(2017)03-0001-05