5G通信的宽带高效率功率放大器设计

吴神兵,轩雪飞*,王 杨,孔 勐,张 科

(1.淮南师范学院,安徽 淮南 232038;2.合肥师范学院,安徽 合肥 230601)

0 引言

随着现代无线通信传输技术的快速发展,5G通信发展的脚步越来越快,频谱资源也捉襟见肘,但人们对于追求更高无线通信传输速率需求的脚步还在极速加快[1-5].由香农定理(C=W*log2(1+S/N)单位:bit/s)可知:在传输信道中,当信噪比(S/N)不变时最大信息传输速率(C)随着传输带宽(W)的增大而增大;当带宽和信道内部高斯噪声(N)不变时,信号平均功率(S)的增加会提高到新的传输速率.而相同功率下更高频率的信号发射更远,所以在频谱资源短缺的今天,提高无线通信系统的工作带宽和工作频率是相当重要的[6-10].

在无线收发系统中,功放作为其中最为关键的部件之一,在系统中的地位是不言而喻的.如在移动通信基站中,功率放大器的工作带宽严重制约着基站通信的工作带宽.因此,为了有效降低运营成本,设计出能够同时覆盖电信、移动、联通三家运营商的宽带功率放大器具有重大意义.因此,凭借可以提高功放效率的优势,谐波调节类功放已经引起人们越来越多的关注[10-11].典型的如F类功放,它通过将偶次谐波匹配至短路终端,奇次谐波匹配至开路终端,基本实现了窄带放大器的高效率性能表现.但是,带宽的限制成为了F类功放理论发展的瓶颈.因此,为了能够在保证足够工作带宽的同时,提升工作效率,本文提出了一种新型的谐波控制网络,通过简单的拓扑结构即可实现对二次和三次谐波的控制,并同时采用多频点匹配方法拓展带宽,很好地解决了带宽拓展的难题.最终利用射频仿真软件完成了一款在2.5～3.5 GHz频带内工作的功率放大器,在Momentum中进行了电磁仿真,结果显示功放的漏极效率为63%～70%,输出功率为39～40 dBm,大信号增益为9～10 dB.

1 F类功率放大器理论

F类功放的理论发展是来自于传统的B类功放.它通过对高次谐波阻抗的控制,继而完成对漏极间电流与电压的调节.而为了提高效率,F类功率放大器主要通过两种减少能耗的方法,一是减少高次谐波能量的携带,以增加基波能量的聚集;二是使偶次谐波阻抗终端短路、奇次谐波阻抗终端开路的方法使漏极间电流与电压的波形没有重叠,从而实现功率放大器的高性能表现.

如图1中所示,输入和输出谐波控制网络是为了控制谐波阻抗,减少高次谐波能量的携带,一般只需要控制到三次谐波,一方面是因为随着谐波控制次数的不断增加,谐波携带的能量在急剧减少,而这对基波的影响可忽略不计;另一方面是因为谐波次数越高,谐波网络的复杂度越高,设备的成本也在提高.所以,谐波控制网络的设计一般以控制到三次谐波为宜.

图1 F类电路模型

2 电路设计

2.1 宽带高效率输出匹配网络的设计

对于实现射频功率放大器的高性能表现,在很大程度上是取决于对晶体管输入和输出端阻抗的控制.而控制阻抗的难度一方面是如何确定实现最佳性能的阻抗值,另一方面由于实现最佳性表现的阻抗是随频率而改变,而最佳阻抗值与50欧姆相差较大,这便对功放的输入和输出匹配电路设计提出了较大的挑战.下面将针对上述存在的难题,给出相应的解决方案,进行恰当的电路拓扑结构的设计.

功率放大器的性能表现主要由输入和输出端电路决定,所提出设计方案的输出匹配网络由谐波控制和基波匹配网络组成,如图2所示.TL2为终端开路微带线,对于基波电长度为λ/12,而对于三次谐波而言,其电长度为λ/4.所以,通过阻抗变换,三次谐波在B点为短路点.同时,结合TL1再次进行阻抗变换,因此对于三次谐波而言其输入阻抗为无穷大.同理又因为终端短路的TL4电长度为λ/8,通过阻抗变换.所以二次谐波在A点为开路,那么对于二次谐波而言微带线TL3即为终端开路线,当其电长度为λ/8时,对于二次谐波就为λ/4,因此,通过阻抗变换,B点为短路,也就实现了二次谐波短路的条件.至此,通过谐波控制网络,完成了对二次和三次谐波的控制.

图2 输出匹配电路

根据图示中基波匹配网络的组成,微带线TL5、TL6、TL7、TL8四根微带线用来完成对基波阻抗的调节,其调节过程如下:

在P1平面可得:

(1)

在P2平面可得:

(2)

在P3平面可得:

(3)

通过将公式(1)-(3)联立,便可得出Zin和ZL之间的关系,此关系式包含8个未知量.然后,将设计频段内的指定频点最优阻抗代入此关系式,便可列出多个方程,从而可以确定这些未知量.当然,这里方程的解有无数个解,只需要事先给其中六个参量的初始参考值即可得出同时满足以上六个频点的阻抗变换关系.至此,输出匹配电路即可被完全确定.输入匹配电路的设计也采用类似的设计理论,因此,就不再详细说明了.同时,为了使得电路具有良好的高频传输特性,板材采用的是Rogers4350B,其厚度是0.762 mm,介电常数是3.66.

2.2 整体电路的实现

最后,通过利用射频仿真软件建立电路模型,然后通过电路仿真最终可以确定电路拓扑图.如图3所示,分别包含输入、输出匹配网络和栅极、漏极的直流偏置电路,并且拓扑结构的主要电路参数也已经简单的标注于图示中.

图3 电路版图

3 电路仿真与结果分析

因此,为了验证前文提及的多频点阻抗匹配理论以及功放的功能特性,特地对功放进行大信号仿真验证,仿真结果如图4所示.从图示可以看出,功率放大器在指定的设计频段内,漏极效率为63%～70%,输出功率为39～40 dBm,增益为9～10 dB,基本达到了设计目标的要求.

图4 大信号仿真结果

4 结论

论文提出了一种新型的谐波控制拓扑电路,可分别对二次以及三次谐波阻抗进行有效的控制,并同时结合多频点匹配理论.在保证高效率的同时,有效拓展功放的工作带宽.最终利用射频仿真软件进行仿真验证,根据仿真结果可知,在2.5～3.5 GHz的设计频带内,漏极效率维持在63%～70%,输出功率维持在39～40 dBm,增益为9～10 dB,良好的仿真结果进而验证了设计理论的可靠性.