高效率基站功率放大器的設計探究

摘要：現階段無線通訊網絡技術發展迅速，手機、無線局域網等無線通訊系統已經覆蓋了現代社會的各個角落，在這一背景下，基站的效率越來越得到人們的重視。文章針對基站公路放大器可能會受到周圍環境的影響，從而影響基站運作實效出發，提出一種高效率的基站放功率大器的設計辦法，力求使各工作參數得到優化，擴大基站覆蓋區域。

關鍵詞：高效率基站；功率放大器；抗阻匹配；無線通訊網絡技術；基站動作 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN722 文章編號：1009-2374（2015）17-0030-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.17.015

隨著當前無線通信事業的繁榮發展，無線通信用戶數量在我國呈幾何倍增長，與此同時人們對通信質量也有了更高的要求標準。基站功率放大器（以下簡稱為功放器）是基站中對基站耗能與通信質量影響較大的重要部分，其輸出功率還直接對覆蓋區域的面積、距離長短等有著直接關聯，因此探討高效率基站功放器的設計對于提升通信質量，減少基站耗能的意義重大。

1 高效率基站功放器設計的整體構架

在基站功放器的設計中，如果沒有選擇合適的抗阻網絡進行匹配的話，將會使電路的輸出功率降低，進而影響工作效率，增加非線性失真情況。在小信號功放器的設計中，可通過輸入與輸出的共軛匹配的方式解決此種問題，但當處在大信號工作狀態時，因進入到了非線性區后，功率管的負載阻抗的最佳值會根據輸入信號的不同而發生改變，所以我們在小信號狀態下所設計的輸出與輸入共軛匹配也就會因此發生變化，從而不再相匹配，我們也就不能采用小信號功放器的設計理念進行大信號狀態下的功放器設計。針對此種情況，本次研究利用負載牽引的方式對輸入與輸出的匹配電力進行設計，此種方式的設計依據是要使功放器能夠在大信號激勵下，根據負載的改變情況繪制出輸出的功率曲線，以此找出在最大輸出功率狀態下的負載最佳值。

本次設計采用的由Aglient公司所研發的ADS仿真軟件，通過負載前引發進行仿真，所設計的基站功放器主體結構為Freescale半導體的LDMOS晶體管MRF282S。頻率的設計參數2GHz，輸出效率大于35%，輸出功率設定為6.5W，三階交調系數設定為IMD3<-26dBc。

2 功放器設計的基本理論與主要指標

功放器的作用主要是使高頻信號放大至接收機所需要的功率標準，它對所輸出的效率及功率都具有一定的要求標準：輸出功率與效率都要盡量高，此外功放器必須能夠在頻段內保持穩定工作，而以上內容的實現都和源阻抗、負載阻抗等有著直接關系。負載處輸出功率與放大器間的功率比，也就是基站功放器的功率增益，通常應超過6dB。互調失真指的是幾個信號同時通過放大器時所生成的混合分量，這也是功放器設計中需要考慮的重要指標。其是因功放器的非線性而得，大小通過交調系數表達。這其中的三階交調分類和基波信號在頻率方面十分接近，因此也要著重對IMD3，也就是三階交調系數進行考慮。

3 高效率基站功率放大器的設計過程

此次的基站高效率功放器的設計采用的是LDMOS晶體管MRF282S，這一晶體管是N溝道的加強版橫向MOSFET，并主要是在A類與AB類的PCS以及PCN基站中工作，其工作頻率最高可達搭配2600MHz，此種半導體晶體管尤其適用在FM.CDMA以及多載波的功放器設計中。此外本次設計懸案用此種晶體管還可有效提升功放器的增益，并且成本低，具備良好的線性度，具有一定可行性。

3.1 靜態工作點的確定

靜態工作點對功放器的工作狀態會產生一定影響，此次設計中的靜態工作點的確定首先采用FET_curve_tracer的模板，之后將飛思卡爾模型放入其中，再選取MRF282S，于ADS中構建支流掃描模型，并模擬電路仿真運行，由此取得支流特性曲線。通過仿真結果得到靜態工作點、柵極電壓等。

3.2 穩定性分析與偏置電路

要想使功放器能夠在工作頻段中維持長時間的穩定工作，就必須使其工作頻率保持穩定。而想要明確是否滿足穩定條件需要依照功放器的穩定因子進行判斷，其公式為：

本次研究首先通過仿真確定靜態工作點，通過對確定靜態工作點的過程中得到的電路圖能夠看出其穩定因子不足1，那么功放器在此種狀態下就無法保證工作的穩定性。為了保證功放器的工作穩定，本次研究采用在輸入端將電阻與電容同時并聯的方式作為操作穩定的辦法，經過仿真試驗，此種方式能夠提升功放器的穩定性，且結構簡便，易于實現。

3.3 基于負載牽引法的設計

本次設計采用了負載牽引法作為設計原理，該原理是先使功放器在大信號狀態下得到激勵，在一定合理的范圍內對不斷發生變化的負載阻抗進行激勵，并繪制公路曲線，以此找出處在最大功率下的負載最佳值。在取得負載的最佳值后，利用SMITH元圖開展阻抗匹配的仿真。本次設計采用的方式是利用幾段串聯傳輸線和間隔配置并聯電容組共同構成匹配網，進行抗阻匹配。此種方式在實際中也較為常見，因通過電容改變的值和電容處在傳輸線中的具體位置能夠得出很寬的電流參數范圍，由此一來在電容圖完成之后，也可適當調整相關參數。本次設計采用的數據線均是統一寬度，這種方式也可有效減少工作難度。

輸入匹配電路與輸出匹配電路的構成流程大致相同，首先把輸出匹配電力加入至主電路中，再根據同樣的負載前沿原理得出源抗阻，最后通過smith元圖得出輸入匹配的電路。

當得出輸出與輸入匹配電力之后，就可對整個電路圖進行構建了，通過對元件值以及電路結構的整體優化，最終完成功放器的設計，其仿真結果見圖1所示：

通過仿真結果可以看出，當此方案設計的功放器工作頻率達2GHz時，且輸入的功率達32dBm，輸入的附加效率可高達39%左右，如果輸出功率達38.295dBm時，輸出功率就能實現6.5W。如果輸入功率達32dBm后，IMD3是能夠滿足設計要求的。

通過本次仿真結果和同類功率管的特征曲線進行比較，能夠得出兩者一致的結果，但也稍有差異，造成此種情況的原因可能和在實際操作中器件存在一定的不穩定性有關。

4 結語

本次研究通過負載牽引法對高效率的基站功放器進行設計，并采用ADS仿真系統進行仿真，從仿真結果可以看出本次設計是可行的，通過此次設計，能夠使基站功放器的各工作參數得到優化，縮短研發周期，節約投資成本，擴大基站覆蓋區域，并將其預期效果最大化發揮出來，值得進一步推廣。

參考文獻

[1] 李詠梅.高效率射頻功率放大器的設計[D].武漢工程大學，2013.

[2] 南敬昌，方楊，李厚儒.高效率高線性度功率放大器的設計與實現[J].固體電子學研究與進展，2013，（3）.

[3] 侯憲允，游飛，丁炫，童仁彬，何松柏.一種寬帶高效率J類功率放大器的設計[J].中國電子科學研究院學報，2012，（6）.

[4] 何業軍，李健鋒，章穎.采用射頻預失真的新型大功率Doherty功放設計與實現[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2013，（5）.

作者簡介：楊鑫（1978-），男，河北昌黎人，中國民航飛行學院洛陽分院工程師，研究方向：民用航空機務維修。

（責任編輯：周 瓊）