微波功率放大器的線性化設計及實踐

陳剛

（中華通信系統有限責任公司河北分公司 河北石家莊 050000）

在新的通信體系結構之中，要想達到最佳的數字傳輸工作效果，讓整個傳輸的工作質量相對較高，就應當結合現有的技術手段，重新調整不同的工作方式，讓傳輸的信號更加穩定。這種模式下所產生的非線性特點及多樣化的工作形式都能對輸出的信號進行細致化的傳輸和工作推進，從而讓內部的失真環境下誤碼情況時有發生，這就讓這種失真結構下臨波道產生出直接的影響作用。大容量環境下，所有間的微博通信系統本身對于放大線性質量要求較高。因此，其本身對于微博功效下的線性化工作技術推進，已經成為當前時代發展之中的一種具體的無線通信網絡技術手段。而前匱法、負反饋法、預失真法等相關的技術操作方式都是常用的顯性化技術手段，在高新技術管理之中，若是遺失相關的技術手段，就會使前景下的高新技術受到制約，其本身也具備著較為穩定、高效的工作優勢［1］。

1 基于氮化鎵芯片的Doherty功放設計理念及重要性

1.1 基于氮化鎵芯片的Doherty功放選型原則

微波晶體管已在軍工領域和通訊領域起到了重大影響，在3GHz 以下的波段和S 波段基站通訊領域，LDMOS元件在增益、線性率、開關特性、散熱特點和減少級數等方面優越性突出。而隨著應用頻段的增加，砷化鎵和氮化鎵芯片逐漸了揮發主要功能。砷化鎵器件的功率密度能達到1.57W/kg，已超過其材料的物理限制，因此，為了適應更高頻大功率微波器件的使用要求，寬禁帶將半導體收音機材料作為重點的研發方向，而氮化鎵材料和其他半導體材料相比較而言，優越性更加突出，其禁帶寬度超過了3.4V，擊穿電荷也超過了5×10°V/cm，而且氮化鎵晶片的遷移電子速度也較快，并且還可能生成ALGaN/GaN 異質結，由于巨大的自發極化電荷和壓電極化電流的因素，ALGaN/GaN 異質結還能生成含量很大的二維電子氣，從而達到了很大的峰值電子產品速度和飽和電子產品速度。在高頻大功率應用中，氮化鎵芯片更富有魅力，因此，本論文設計的高功放設備都選用了氮化鎵芯片，主要選用美國Cree 公司的氮化鎵功放式CGH55015 芯片，它有法蘭形和表貼兩個密封型式。

1.2 基于氮化鎵芯片的Doherty功放設計原則

（1）研究C頻段固態功率放大電路的技術現狀，對砷化鎵與氮化鎵功率放大做了性能指標比較，并選用美國Cree 公司的CGH55015，完成了Doherty 功率放大方案設計，同時，利用ADS仿真軟件，完成了輸出功率、增益、效率、穩定性等指標模擬，并進行了印制板和盒體工藝設計，完成了技術性指標試驗［2］。

（2）通過綜合比較了各種功率放大線性化方式，并選用了Scintera公司的射頻預失真芯片，成功實現了放大器模擬與變頻模式二種射頻預失真方式，每一方法均進行了電路的仿真設計和技術性指標試驗，檢測結果均基本符合指標要求。

（3）使用FPGA 和DSP，實現了數字預失真設計DPD，重點實現了基帶集成電路、射頻電路、反饋通路等的硬件電路設計過程及FPGA、DSP 軟件設計過程，并完成了大量的仿真測試，技術性指標基本達到了工程設計要求。

1.3 基于氮化鎵芯片的Doherty功放設計的重要性

在進行Doherty 功率放大集成電路設計技術研究時，對功率放大的靜態工作點選取了偏置較深的-2.9V，從而增加了功率放大的飽和狀態效率；對匹配電路，不僅進行了常規的基波模擬，還實現了對二次諧波、三級諧波的模擬，從而大大提高了功放輸出功率和效能。

在現有的信息結構支持下，要想構建出一種完備的射頻預失真電路設計工作，就要使用一定的仿真軟件進行各個不同端口的匹配設計模式，這種方式的推進不僅保證了其可操作性，也有效地提升了芯片本身的預失真性，對于變頻模式結構下的預失真現象及基礎的理論進行研究分析和綜合判斷。

在全面推動失真技術的分析操作和技術管理過程中，技術人員要對于失真技術操作使用較為高效的環節進行問題的收集整理，實現了對時間、幅度、功率進行分析，從而有效地降低相關模型的精度及復雜度。在進行多樣化的技術分析和實驗研究過程中，不同的載波效果最終輸出的結果和傳輸的性能也有一定的差異性。將數字預失真電路在點對多點的通信控制系統之中進行優化，增加輸出的功率，保證了利用率質量的提升。

2 Doherty功放原理

小信號階段，輔助功放工作于C級。第二階段，當輸入信號電平逼近于飽和點，從輔助功放變壓器開始，隨著輔助功放變壓器的推挽輸出功能，等效負載逐漸從2Zo向Zo方向減小，輔助功放變壓器也開始導通，有效負載從開路狀態逐漸向Zo方向轉變，當主功放達到飽和時，得到飽和輸出功率。第三階段，隨著主功率放大器電壓和輔助功放變壓器輸出電流的增加，主功率放大器出口電壓恒定，并維持較高效率，負荷也不斷下降，當輔助功率放大到達飽和時，所有負荷都變成了Zo，電壓到達最大，功率輸出也到達了最高［3］。因此，在實際的技術管理和實驗分析的背景下，相關的技術人員要選擇合適的工作方式和技術參數，優化功放管理質量，通過技術創新和數據分析的方式，提升管理成效，附近各項工作的全面推動。

3 Doherty功放仿真設計

依據Doherty 功放工作原理，實驗在下一步進行Doherty 功放的仿真設計。微波系統仿真軟件主要選用了Agilent公司的ADS系統（Advanced Design System），仿真設計電路包括偏置集成電路設計技術、穩定性設計、源和負載的牽引設計、輸入輸出匹配電路設計、AB類功放設計、C類功放設計。

3.1 靜態工作點設計

利用ADS 的FETCurve Tracer 模板進行DC 掃描，選擇功放管的直流偏置點，得到的漏極曲線，按照CGH55015 的數據手冊建議，可以選用漏極工作電流110mA為靜態工作電流，由仿真曲線便可得知，此時的柵極偏置電壓為2.9V，而漏極電流+28V，則管子的靜態功率大約為3.115W。

3.2 穩定性設計

為了提高大功放電路的工作穩定性，就需要對其通過工作穩定性加以模擬，并設計合理的穩壓電路。使用S-PARA 仿真掃描，獲得功放的穩定因子K，得到電路和掃描檢查結果。掃描結果中，CGH55015 的高頻震蕩發生在10.5GHz 之上，而低頻震蕩則發生在4GHz 之下，而由于需要調整功放全頻段內的絕對平衡，因此，需要利用穩壓電路調整功率放大后的絕對穩定因子，使之在全頻段內的K值等于1。本文通過采用在柵極的輸入端口并聯電阻或在柵壓偏置電路中并聯電阻的方式，改善了功率放大的穩定性，得到并聯電阻的穩定性仿真結果，結果說明，在全頻段內，穩定性因子均高于1，從而實現了設計目的。只有實現電路的穩定設計，才能夠保證功放的效率趨于平穩，這樣就能夠提供良好的工作前提。因此，本文所選擇的電阻設計阻值較大，以達到穩定電路的目的，同時，在之后的測試階段當中，如果功放未激活，則可以逐步減小阻值［4］。

3.3 源和負載牽引設計

當穩定電路確認，就可以進一步設計功放源及相應的負載牽引，從而達到考察輸入端基波阻抗的目的，分析輸出端基波阻抗二次、輸出端基波阻抗三次諧波分量對于功放效率所產生的影響，得到仿真電路的結果，從而促進迭代仿真的形成，得到在55.47%最大功率之下的阻抗值。

3.4 輸入輸出匹配電路設計

在當前的市場環境之中，要充分認識到康匹配網絡的設計工作本身就是微波功率放大器工作的主要設計過程，其中所包含的不同匹配電路設計對后期的工作有著較為直接的影響。若是配合的集成電路本身產品設計選擇事物，就會導致電路內部振動產生問題，集成電路本身的穩定性降低，功放非線性的實際失真效果凸顯，直接對功放質量產生沖擊。在多數的環境下，若是放大器的源頭與負載多數都有一個相同的數據變化，在設計的一端的大小也會與之相同，而另一端電阻則會呈現出復數增加的趨勢。當放大集成電路的輸入樁呈現出不同的形態時，可以通過并聯點對匹配的電路進行優化。這個過程中，所有工作的規范相對較為合理，若不能按照匹配的基礎要求進行工作，就會導致多種設計效果出現問題，同時，很多工藝設計的實際難度也會增大。在放大器的長度在要求的基礎上，只能選擇一個較短的阻抗實現網絡環境的變換。設計輸入、輸出本身的匹配電路，要著重對于工作的特點和質量進行分析，同時，也要滿足節能的技術指標要求。

在實現大負載牽引的環境下，對于整個操作環境出現的直接的影響就是波阻抗及第二次的諧波，對于后期所產生的諧波影像能力則會較弱，為此，在完成相關的匹配線路分析的過程中，必須要保障基波及第二次諧波的匹配度，之后再實施3 次設計優化。通過不同的設計軟件所呈現的模板，設計出滿足要求的匹配電路，得到一定的仿真效果，可以使用1/4 薄產的最短線路實現基波完成操作，第二次諧波傳輸變為墩路的效果。使用一條L 形狀的基波完成阻抗匹配，使用同樣的方法，可以進行與輸入匹配電路的設計［5］。

3.5 AB類功放仿真設計

AB 類功放的仿真設計主要依據相應的輸入和輸出匹配電路來完成，通過整體的模型來代替電路當中的理想元件模型，并且在其中加入電源濾波單元、T型結及扇形線，從而最終得到一個完整的AB類功放仿真電路。在得到仿真的結果之后，該功放5.6～5.9GHz 頻率時，最小信號增益范圍在11.8～12.7dB 以上，帶內最大波動范圍小于1dB，完全時飽和輸出功率為42.8dBm，最大漏極效率為65.9%。功率回退6dB 時，總漏極輸出功率36.50dBm，漏極利用率為43.2%。

3.6 C類功放設計

按照以上AB型功放的標準流程設計C型功放變壓器時，在輸出端口串聯1/4 波長電阻變換導線，利用該電阻線，使小信號時C類功放變壓器為開路狀態。由于C型功放式變壓器偏置很深，穩定性較好，但是增益較低，因此可以將穩壓電流調小，從而改善其增益。在此處可以將穩壓電流設為0，而柵極電流則設為-6.4V。

3.7 Doherty 電路仿真設計

按照上文所描述的Doherty功率放大器構造，可以進行對整個Doherty 功率放大器的模擬試驗。在試驗的過程當中，前端部分增加了微帶功分器，這樣就可以帶入3dB 的插入損耗，從而使得飽和輸出功率達到43.83dBm，功放效益能夠達到8.8～9.3dB，總體效率在60%之上，從而滿足設計的指標要求［6］。

3.8 整體電路及PCB設計

完成整體電路及PCB 設計之時，要先從ADS 里制作仿真版圖，接著使用畫圖工具ProtelDXP進行電路板的繪制，選擇板材為Rogers4350，印制板厚為0.76mm，介電常數為3.5，在繪制版圖時注意以下幾點。（1）偏置電路和電源濾波電路的設計不能影響射頻通信。（2）電路板的設計應當兼顧雙面設計，在頂層用來繪制微帶電路，在底層用來作為接地，從而實現提高微波電路性

能的功用。（3）利用螺釘來固定印制板，并且注重各個接地點都保持就近接地原則，得到繪制完成的PCB，然后，再按照集成電路板寬度和功率放大固定孔的位置加工盒體。由于盒體使用了鋁材加工，所以盒體的寬窄對微波放大器影響較大，長度約需相當于放大電路工作波段的一半波長，如果不滿足上述條件，就會在盒體形成波導式傳輸，在微帶線的跳變點、開路端形成微波輻射，會產生放大集成電路帶內增益的均勻率變差，還會產生自激振蕩式，最后把印制板裝入加工好的盒體內，完成完整的Doherty功放設計。

4 結語

本文首先研究了功率放大線性化的研究原則和重要性，對其相關選型原則、設計原則進行了總結剖析。其次，闡述了公司微波功率放大器的基本技術指標和非線性特點，并按照公司項目使用條件，利用氮化鎵芯片，設計了一種C 頻段的Doherty 功率放大器，該放大器有較高的輸出功率和工作效率，但氮化鎵功放有超高遷移率，因此線性較差，如果使用于OFDM、64QAM等對線性要求較高的場合，則需要對它進行線性化處理。本文通過射頻失真和數字預失真兩個方法對該功放系統進行了線性化設計，對Doherty功放仿真進行了詳盡的電路設計、方案設計和指標試驗，從而達到了工程設計目標和全機的使用條件。