P北斗導航射頻功率放大器設計

高貴虎 蘇凱雄 范夢怡

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P北斗導航射頻功率放大器設計

高貴虎1蘇凱雄1范夢怡2

（1. 福州大學物理與信息工程學院，福州 350116； 2. 電子科技大學信息與通信工程學院，成都 611731）

本文提出一種改進型北斗導航射頻功率放大器解決方案，提高了射頻功率放大器的效率和線性度。運用負載牽引和源牽引相結合的方法設計末級功率放大器，運用功率回退技術設計前置級放大器和驅動級放大器，運用共軛匹配法設計級間匹配電路減少插損。經過理論分析、仿真設計和實物調試，驗證了方案的合理性，制作出可應用于北斗導航終端產品的高效率、高線性度、大功率的射頻功率放大器。

北斗衛星導航系統；射頻功率放大器；附加功率效率；增益

北斗衛星導航系統經過十余年的發展，已經慢慢發展為全球衛星導航系統[1]。作為衛星通信的關鍵環節，射頻功率放大器關系到信號能否順利被衛星接收。由于國外芯片巨頭暫無針對北斗系統設計芯片計劃，國內的技術水平仍欠佳，導致目前市面上的射頻功率放大器方案效率低、線性度差、穩定性一般。

為解決以上的問題，本文提出改進型北斗導航射頻功率放大器解決方案。通過合理的理論分析和指標分配選取器件，針對效率問題提出源牽引和負載牽引相結合的方法做出優化，引入功率回退技術提高射頻鏈路的線性度，有效降低了交調失真干擾。

1 系統關鍵指標分析

1.1 系統組成

本文提出的改進型北斗導航射頻功率放大器結構如圖1所示。系統由前置級放大器、驅動級放大器、末級放大器、溫度補償網絡[2]、濾波器、使能開關等單元電路組成。

圖1 系統結構圖

系統的輸入信號為北斗L頻點BPSK調制信號，頻率為1.61568GHz±4.08MHz，功率電平為0dBm。為了達到北斗10W（40dBm）輸出，射頻鏈路需提供大于40dBm的增益。

1.2 增益分析

末級放大器采用LDMOS晶體管PD20010C，該晶體管為AB類放大器，具有效率高，溫度穩定性好等優點，能夠提供11dB增益。為了提高線性度，驅動級和前置級采用功率回退技術適當提高1dB點，驅動級增益為13dB，前置級增益為20.5dB。針對射頻功率放大器高低溫增益不同的特點，所選器件引入溫度補償網絡FAC0603，其插入損耗約3dB。為了提高收發隔離度和帶外抑制度，末級放大器輸出端插入濾波器，插入損耗為0.4dB。

系統的總增益為

式中，為增益；L為插入損耗。從式（1）可以看出，總增益約41.1dB。由于匹配損耗和射頻接頭插損約1dB，所以該方案符合北斗10W設計要求。

1.3 線性度分析

三階互調3作為衡量放大器線性度的主要指標，表達式如下：

式中，1、d為各級放大器的三階互調系數。為了分析前后級放大器之間的影響，以兩級放大器為例。假設兩級放大器的三階互調系數之差的絕對值為，即=1-2，則前級的3對后級的3的影響值可用下式來表示[3]：

從式（3）可以看出，當越大時，將越小。通過功率回退設計，前置級和驅動級的3指標均良好，對末級3的影響將很小，因此本方案的理論線性度較好。

1.4 效率分析

前兩級電源由末級降壓而來，所選開關電源的效率高達96%。電源設計時不恰當的擺放、走線都會對器件間的近場耦合產生影響，進而傳導EMI干擾射頻功率放大器[4]。結合芯片手冊和預設的回退值，前置級工作點為5V、100mA；驅動級工作點為5V、350mA；末級工作點為12V、1.3A。因此，總功耗為

2 系統設計與仿真

2.1 單級射頻功率放大器

合理的單級射頻功率放大器設計能夠確保功率正常傳輸，本文以末級放大器為例分析。末級放大器主要由場效應晶體管、輸入輸出匹配電路、偏置電路等組成。合適的靜態工作點能夠讓放大器工作在線性區，通過伏安特性和穩定性仿真，確定靜態工作點：ds=12V，gs=4V。

為了最大化末級放大器性能，采用負載牽引和源牽引相結合的設計方法[5]。牽引法的核心是通過持續大信號激勵，同時改變負載阻抗值，由此得出放大器的等增益圓和等效率圓，通過調整電路參數可使二者盡量收斂重合。負載牽引的仿真結果如圖2所示。

圖2 末級放大器負載牽引仿真圖

從圖2可以看出，優化后附加功率效率為52.77%，輸出功率為40.01dBm，此時的輸出阻抗L=1.436+ j0.878。調用Smith圓圖做輸出阻抗共軛匹配，為了方便調試，采用傳輸線和村田電容相結合的方法做動態優化。

源牽引仿真設計同負載牽引仿真，本文不再贅述。經過仿真優化，所得末級功率放大器附加功率效率如圖3所示。

圖3 末級放大器附加功率效率仿真圖

結合上文和圖3可以看出，末級放大器在滿足10W輸出的條件下依舊具有較高的工作效率，接近AB類放大器66%的極限值。

2.2 系統級聯性能仿真

級間阻抗匹配關系到功率能否正常傳輸，當阻抗不連續時，功率傳輸將引入額外的插入損耗[6]。為了抑制系統EMI，匹配電路設計成p型濾波，通過各級獨立接地、縮短引線長度控制等效串聯電感ESL等方法可最大化濾波性能[7-10]。本文采用集總參數和分布參數相結合的方法設計匹配網絡，根據前后級阻抗做共軛匹配。以驅動級輸出和末級輸入為例，仿真結果如圖4所示。

圖4 驅動級和末級間匹配網絡性能仿真圖

從圖4可以看出，匹配網絡引入的插入損耗較小，S11和S22指標說明輸入端和輸出端的反射波少，能夠起到良好的匹配作用。通過獨立的三級放大器和級間匹配電路設計，所得仿真結果如圖5所示。

從圖5可以看出，當輸入功率為0dBm時，輸出功率為40.455dBm，此時的附加功率效率能夠達到54.174%。滿足北斗導航10W需求，功放效率也處在較高水平。

在無線通信中輸出三階交調截取點3常用來表征線性度[11]，它同輸出功率out和三階互調3的關系為

圖5 系統輸出功率和附加功率效率仿真結果

在輸出功率和效率仿真分析的基礎上做雙音諧波仿真，仿真結果如圖6所示。

從圖6可以看出，當輸出功率out為40dBm時，三階互調3為-25.965dBc，由式（6）可得，3≈52.98dBm。通過仿真分析和理論計算，說明該射頻功率放大器具有良好的線性度。

3 實物驗證與測試

為了促進方案驗證，結合射頻硬件設計方法，嚴格控制走線阻抗，同時應用腔體理論屏蔽外界干擾，提高散熱效率?；遄鳛閭鬏斆浇橹苯雨P系到信號傳輸，本文采用插入損耗小、溫度穩定性好的Rogers4350B。經過版圖繪制、板材加工和器件焊接，所得實物圖如圖7所示。

圖7 射頻功率放大器實物圖

使用信號源輸入1.61568GHz單音信號，結合網絡分析儀和頻譜分析儀調試電路，所得測試結果分別如圖8和圖9所示。

圖8 射頻功率放大器輸出功率測試

圖9 射頻功率放大器線性度測試

由外部引入插入損耗為40dB（線纜+衰減器），從圖8和圖9可以看出，當輸入功率為0時，射頻功率放大器輸出功率為40.054dBm，滿足北斗導航10W設計要求。當線性增大輸入功率時，輸出功率同比增大；當線性減小輸入功率時，輸出功率同比減小。實驗說明，本射頻功率放大器在一定區間內具有良好的線性度。

當輸出功率為40.117dBm時，穩壓源供電電壓為12.4V，電流為1.6A，引線阻抗約0.2W。由式（4）和式（5）可計算附加功率效率為53.15%，接近仿真結果54.174%和理論值55.74%。

4 結論

本文提出改進型北斗導航射頻功率放大器解決方案，采用負載牽引和源牽引相結合的方法，設計各級功率放大器、共軛匹配的方法設計級間匹配網絡、功率回退技術優化線性度、多目標聯合優化法動態優化射頻鏈路。經過詳細的理論分析、指標分配、仿真設計和實物制作，驗證了方案的可行性。本方案設計的射頻功率放大器具有效率高、線性度高和溫度穩定性好等優點，對比測試北斗行業其他公司方案均具有一定的優勢，現已大規模應用于北斗導航終端產品。

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Beidou RF power amplifier design based on power combiner

Gao Guihu1Su Kaixiong1Fan Mengyi2

(1. College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116;2.School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731)

This paper proposes an improved BeiDou navigation RF power amplifier solution that improves the efficiency and linearity of the RF power amplifier. The final stage power amplifier is designed using a combination of load traction and source traction. The pre-stage amplifier and driver stage amplifier are designed using power back-off technology. The conjugate matching method is used to design the inter-stage matching circuit to reduce the insertion loss. After theoretical analysis, simulation design and physical debugging, the rationality of the scheme was verified, and a high-efficiency, high-linearity, high-power RF power amplifier that can be applied to Beidou navigation terminal products was produced.

BDS; RF power amplifier; power added efficiency; gain

2018-06-29

高貴虎（1993-），男，福建省寧德市人，碩士研究生，主要從事微波通信方面的研究工作。

福建省產學研重大基金資助項目（2015H6014）