AB類LDMOS基站大功率放大器設計

嚴偉國，劉成國，丁肇宇，吳志鵬

（武漢理工大學理學院 射頻與微波技術研究中心，湖北 武漢 430070）

AB類LDMOS基站大功率放大器設計

嚴偉國，劉成國，丁肇宇，吳志鵬

（武漢理工大學理學院 射頻與微波技術研究中心，湖北 武漢 430070）

功率放大器在現代無線通信系統中有著重要作用，AB類功率放大器因其能夠平衡效率與線性度的關系被廣泛研究使用；LDMOS晶體管因其優異的工作性能，是目前多種射頻功率應用中主流的技術之一。采用LDMOS晶體管設計了一款工作頻段在2.11～2.17 GHz的AB類功率放大器，完成了匹配電路的設計，在工作頻段內S11＜-10 dB，S21＞18.7 dB，最大線性輸出功率P1dB＞51 dBm，其相應的漏極效率在59%以上；從P1dB點回退6.5 dB點的漏極效率大于31%，上三階交調為-35.9 dBc，下三階交調為-35.6 dBc。仿真結果表明，設計的功率放大器可滿足實際基站的應用需求。

功率放大器；阻抗匹配；LDMOS；AB類

功率放大器是無線通信系統的核心組件之一，在現代無線系統的發展中，AB類功率放大器因其能夠很好地兼顧到效率和線性度而被廣泛研究和使用，其應用有基站、雷達、微波單片集成電路，無線局域網等[1-4]。文獻[1]利用LDMOS（Lateral Diffused Metaloxide-semiconductor）晶體管設計了一款輸出功率為4 W用于基站的AB類功率放大器；文獻[2]采用GaN（Gallium Nitride）晶體管設計了一款1.3 GHz用于雷達的AB類功率放大器；文獻[3]采用LDMOS技術在集成電路中實現了工作頻率為3.8 GHz的AB類功率放大器的設計；文獻[4]介紹了一款頻段在3～7 GHz可用于無線局域網的高效率AB類功率放大器。另外，AB類功率放大器也是許多效率提高技術以及線性化技術等使用和研究的基礎；如Doherty技術[5]、包絡跟蹤技術[6]、數字預失真[7]等。

LDMOS晶體管增益大，擊穿電壓高，輸出功率密度大，價格相對低廉，是當前使用的主流大功率晶體管之一。其應用頻率在1 MHz～4 GHz，在雷達、廣播、尤其是基站應用中被廣泛采用[8]。GaN是新型的第三代半導體，因其能帶間隙大，有更高的擊穿電壓，能夠承受更大的輸出功率密度，工作效率也更高，應用的頻率可達到毫米波頻段，并且能允許更大的帶寬，在未來的5 G通信、60 GHz頻段中有廣泛的應用前景[9]。雖然GaN晶體管性能優異，但價格昂貴，使其大規模商用一定程度受阻；同時其高功率密度對晶體管工作時的散熱要求也更高一些；目前基站應用中仍多采用LDMOS晶體管。

文中采用Freescale公司生產的MRF8S21120型號LDMOS晶體管設計了一款工作頻段為2.11～2.17 GHz可用于LTE基站的AB類功率放大器，最大線性輸出功率為51 dBm以上，相應漏極工作效率大于59%。文章首先對傳統功率放大器的特性進行了分析；然后介紹了利用ADS（Advanced Designed System）軟件設計AB類功率放大器的具體過程，包括：靜態工作點確定、匹配電路設計、偏置電路設計、S參數仿真、諧波平衡仿真等；最后對設計工作進行了分析總結與展望。

1 傳統功率放大器的分析

傳統的功率放大器按照導通角大小可分為:A類、AB類、B類、C類；其漏極輸出電流波形可表示為式（1）：

其中，α是導通角，Ids是漏極電流，Iq是靜態工作電流，Ipk是射頻信號峰值電流，Imax是晶體管漏極飽和電流，滿足：cos（α/2）=-（Iq/Ipk）；Ipk=Imax-Iq。 對式（1）進行整理并做傅里葉變換，可以得到漏極電流的直流分量、基波分量和高次的諧波分量；式（2）是直流分量，式（3）代表基波分量，式（4）是n次諧波分量[10]。

功率放大器漏極效率定義是基波分量的功率比上直流分量的功率，通過式（2）和（3）結合定義得出功率放大器的理論最大漏極效率隨導通角變化的表達式為：

AB類功率放大器導通角在180～360度之間，結合以上分析，最大效率可達到78.5%。圖1給出了漏極電流的各分量隨導通角變化的規律，當導通角在180～360度時，基波分量先增加后逐漸減小，但整體仍保持很大的值，說明AB類功率放大器有足夠的基波輸出功率；而且二次諧波分量及其他高次諧波分量大小遠小于基波分量，線性度較好。AB類功率放大器有很好的設計靈活度，能夠根據實際情況調整導通角大小，做到兼顧效率和線性度。

圖1 漏極電流各分量大小隨導通角變化的規律

2 AB類功率放大器的設計

2.1 靜態工作點的確定

AB類功率放大器導通角在180～360度之間，參考MRF8S21120H晶體管提供的數據手冊并結合實際基站功率放大器的應用需求，選取漏極偏壓28 V，靜態工作電流0.85 A為靜態工作點。在ADS中對晶體管進行直流特性仿真，得到其直流工作特性曲線，圖2描述了在不同柵極偏壓下晶體管的漏極電流隨漏極電壓變化的規律，從圖可得，當漏極電壓為28 V，靜態電流為0.848 A（十分接近0.85 A）時，對應的柵極工作電壓為2.7 V[11]。

圖2 晶體管直流特性曲線

2.2 匹配電路設計

根據共軛匹配的原則[12]為了使晶體管能夠從信號源獲取最大功率，晶體管輸入阻抗Zin應與源阻抗共軛ZS，即：Zin=ZS*。在Smith圖工具中使用傳輸線進行匹配電路設計，隔直電容也進入匹配，容值為6.8pF；在中心頻點2.14 GHz將源阻抗的共軛值匹配到50歐姆。為了保證一定的帶寬，在Q＜2的區域內進行匹配。傳輸線使用微帶線實現，考慮到晶體管的封裝尺寸，第一段匹配微帶線的寬度應大于晶體管柵極寬度，并且微帶線長度也要大于柵極金屬片的長度，以便于焊接。同樣地，晶體管的輸出阻抗Zout應與負載阻抗ZL共軛，即Zout=ZL*；在Smith圖中將中心頻點處負載阻抗的共軛值匹配到50歐姆。

2.3 偏置電路設計

偏置電路的作用是給晶體管提供直流偏壓同時又要防止射頻信號泄漏；四分之一波長短路線可以實現這個功能[13]。微帶線寬決定了它自身可承受的最大電流；柵極電流很小，微帶線寬設為1.5 mm；漏極工作電流很大，微帶線寬設為2.5 mm。在四分之一波長線末端加一個10 pF射頻電容作為偏置線，柵極、漏極偏置電路輸入阻抗幅度值如圖3所示。

圖3 偏置電路的阻抗

2.4 整體S參數仿真

根據Smith圖中理想的傳輸線匹配電路，用微帶線實現，電路板材為Rogers4350B，板厚0.765mm，銅箔厚度0.034mm；將輸入匹配電路、輸出匹配電路和偏置電路結合成一個整體進行仿真，整體的匹配電路如圖4所示。連成一個整體后仿真結果會與單獨設計匹配電路的結果產生一定的偏差，需要對匹配電路進行調試；另外進行原理圖仿真后還要再進行原理圖和版圖協同仿真，使仿真結果更接近實際，反復微調輸入匹配電路和輸出匹配電路，得到最終仿真結果如圖5所示，在2.11～2.17 GHz頻段內S11＜-10 dB；S21＞18.7 dB，波動小于0.2 dB，符合實際基站應用要求。

圖4 功率放大器的整體設計圖

圖5 S參數仿真的最終結果

2.5 諧波平衡仿真

S參數仿真用于設計晶體管初步的匹配電路，還需進行諧波平衡仿真，根據結果對輸出和輸入匹配電路進一步優化，在功率放大器的輸出功率、漏極效率、線性度之間找到一個符合要求的平衡點[14]。主要進行單音和雙音信號的仿真，單音信號用于仿真功率放大器的增益、P1dB點和效率；雙音信號用于仿真功率放大器的IMD3（Third-order Intermodulation Distortion）及IMD5（Fifth-order Intermodulation Distortion）。圖6給出在功率放大器的增益、效率、IMD3和IMD5隨輸出功率變化的曲線，在目標工作頻段2.11～2.17 GHz內，增益大于18.6 dB，P1dB點大于51 dBm，相應漏極效率大于59%，6.5 dB功率回退范圍內的效率在31%以上。仿真得到的最大效率小于理論分析的78.5%，這主要是由于“膝點”電壓區的存在限制了射頻信號的最大輸出電壓，同時仿真還考慮了板材損耗以及微帶線的導體損耗[15]。在6.5 dB功率回退點上IMD3為-35.9 dBc、下三階交調為-35.6 dBc、上五階交調為-45.7 dBc，下五階交調為-45.5 dBc；但隨著輸出功率增大趨于飽和時IMD3和IMD5都變得大于-30 dBc，線性度惡化，實際中使用需要結合數字預失真技術改善其線性度以提高通信質量[16]。

3 結束語

文中對AB類功率放大器的應用做了簡單介紹，對LDMOS和GaN晶體管的優缺點進行了對比分析。對傳統功率放大器的工作特性進行了理論分析，給出了漏極效率隨導通角變化規律，繪制了漏極電流的直流分量、基波分量、高次諧波分量隨導通角變化的曲線，說明了AB類功放的特性。并采用LDMOS晶體管設計了一款工作頻段為2.11～2.17 GHz可用于LTE基站的AB類功率放大器，詳細介紹了設計過程包括：靜態工作點選取，匹配電路設計，偏置電路設計，S參數仿真，諧波平衡分析等。接下來工作是做出實際電路，進行測試，并與仿真結果進行對比。

圖6 功率放大器增益、效率、IMD3、IMD5隨輸出功率變化曲線

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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稿件編號：201602067

嚴偉國（1992—），男，湖北仙桃人，碩士研究生。研究方向：射頻功率放大器的設計。