面向5G通信應用的射頻功放研究

摘要：隨著移動通信的發展，數據速率要求已經到了非常高的水平，如5G通信最大下載速率達到1Gbps，與之對應的通信帶寬也隨之增加，如5G NR頻段3.3GHz～3.6GHz，工作帶寬300MHz，最大信號帶寬也為300MHz這對射頻硬件要求非常高，特別時射頻功率放大器，因此本文重點研究面向5G應用的射頻功放，即高頻、大瞬時帶寬、高效率功放。

關鍵詞： 5G；射頻功放；瞬時寬帶；高效率

一、引言

射頻功放寬帶及高效率技術一直以來都是通信行業研究熱點，特別是5G發牌后，5G 通信需求對頻譜帶寬和設備效率的要求達到了前所未有的水平。目前很多學者對這方面也進行了相關研究，但還有一些關鍵技術問題有待解決，如射頻功放在3.5GHz滿足寬帶工作帶寬的同時能夠支持超寬帶瞬時帶寬的通信要求，這對射頻功放的設計來講具有非常大的挑戰。

雖然過去幾年，在功放寬帶信號線性改善方面有見報道[1]，但這些研究成果還存在局限性，不能解決目前5G 通信中高頻段寬帶應用問題；本文主要通過對GaN HEMT的基頻、包絡頻率、諧波頻率對應的阻抗進行針對性的設計，從而達到超寬帶信號改善的目標，為5G通信提供高端的射頻功放解決方案。

二、功放寬帶信號線性特性理論分析

為了簡化問題復雜度，同時又不影響寬帶信號的分析，本文引入如圖1所示簡化FET模型[2]，研究其在不同間隔雙音信號激勵下IMD3的影響因素，從而確定設計功放寬帶線性的思路方法。

工作在飽和區共源場效應管漏極電流的3階泰勒展開式如下：

（1）

（2）

Gm為場效應管的跨導，Gd為場效應管的輸出電導，Gm2， Gm3是跨導隨柵壓的變化量，Gd2， Gd3 為輸出電導隨漏壓的變化量，vg為柵極信號電壓，vd為漏極信號電壓；Gmd和Gm2d表示Gds對柵極電壓的一階、二階非線性依賴關系， Gmd2表示Gm對漏極電壓的二階非線性依賴關系Cgs1，Cgs2， Cgs3分別是對Cgs柵極電壓的一階、二階、三階非線性依賴關系。

假設頻率分別為ω1，ω2雙音信號vg，其間隔為Δω（ω1＜ω2），每音的幅度記為vs，則

vg=2vscos（ωc）cos（Δωω/2）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

把vg帶入上面式子可以求得三階互調電壓幅度為：

（4）

（5）

上述方程中的參數c0，c1，c2，r在文獻[2]中有明確定義，這里只通過方程對三階互調電壓幅度的影響因素做定性分析。從方程（2）和（3）可以看出在給定的偏置條件下，影響功率放大器三階互調幅值且與外部電路設計有關的參數主要有，2階互調（包絡）頻率阻抗、3階互調頻率阻抗、2次諧波頻率阻抗，所以面向5G超寬帶功放設計可以從上面幾個要素綜合考慮。

三、功放單管匹配電路設計及仿真驗證

為了研究支持寬帶信號功放匹配電路，本文選用了高頻及寬帶特性較好的GaN HEMT功率放大器，寬帶輸出飽和功率25W。

根據上節理論分析功放的寬帶線性除了與基頻3階頻率阻抗有關，還與包絡頻率阻抗及2次諧波阻抗有關，結合目前行業對功放寬帶線性的評估方法即功放輸入雙音信號，以為中心，不斷擴大雙音頻率間隔直到IMD出現明顯的諧振（IMD突變）時，把IMD出現諧振的雙音間隔帶寬定義為該功放支持的最大信號帶寬，所以要想功放支持信號越寬，必須使其3階頻率阻抗、2次諧波阻抗、及包絡頻率阻抗隨帶寬變化趨于平緩，一般情況下其3階頻率阻抗在工作頻段內或附近，與基頻阻抗一起考慮匹配，主要考慮對帶內多個射頻指標的影響，本文主要從2階（包絡）頻率阻抗及2次諧波阻抗幅值的角度優化功放寬帶信號情況下線性指標。如圖2所示。

從圖2可以看出經過優化后的功放輸出阻抗在2階頻率及2次諧波頻率處的阻抗幅值更低且變換更平緩，對應優化前后兩種匹配功放的寬帶線性結果對比如圖3所示（工作頻段3.3GHz～3.8GHz，雙音中心頻點3.55GHz，功放增益，輸入功率為25dBm）。

通過圖3可以看出，考慮2階頻率及2次諧波頻率處的阻抗優化的匹配，其IMD諧振點約在430MHz處，即能支持430MHz的寬帶信號，而沒考慮2階頻率及2次諧波頻率處的阻抗優化的匹配，其諧振點約在310MHz處，即其支持最大信號帶寬約為310MHz。由此可見本文設計匹配的先進性，基于基頻，2階、3階及2次諧波頻率阻抗優化匹配的功放原理圖如圖4所示，其功率和效率指標如圖5所示。

四、面向5G應用的寬帶高效率Doherty設計[3]

上面章節研究并設計了支持超寬瞬時信號的功放管匹配電路，本節將利用上面設計的單管設計高效率寬帶Doherty電路如圖6所示，以便滿足5G寬帶高速率的通信需求，同時進一步降低系統功耗，節約社會資源。

為了實現寬帶高效率Doherty，除了單管寬帶的匹配電路設計，負載調制拓撲利用逆Doherty架構，在合路端采用3階切比雪夫阻抗變換器，將合路點阻抗從12.5歐轉換至50歐，從而在滿足3.3～3.8GHz 500MHz 工作帶寬同時，達到較高效率并支持支持超過300MHz的信號帶寬。

寬帶高效率Doherty的關鍵技術指標如圖7所示。

通過圖7可以看出，該Doherty系統在3.3GHz～3.8GHz的工作帶寬內，輸出功率為40dBm時，PAE>41%，Psat>47.8dBm，Gain>10.8dB，各項指標均滿足應用要求，該設計同時支持了電信，聯通5G頻段以及部分國外運營頻段，做到了最大化兼容。另外為了評估該Doherty系統能支持的最大信號帶寬，本文還用雙音間隔信號進行了仿真評估，Doherty功放輸出功率約為40dBm， 中心頻率3.55GHz，在雙音間隔信號下的線性結果如圖8所示。

通過圖8可以看出，該Doherty系統支持信號帶寬大于370MHz。

五、結束語

本文通過理論上分析影響功放線性的參變量因素，定性的分析這些因素對功放線性特別時寬帶信號下線性的影響，找到了提高功放寬帶信號下線性的方法，即在做基頻匹配的同時要控制2階頻率、2次諧波頻率的阻抗幅值，使其幅值盡量減小并且隨頻率變化緩慢，才能最大限度地提高寬帶信號下功放的線性，為了驗證本文提出方法的正確性，本文利用寬帶GaN HEMT設計了具有2階頻率、2次諧波頻率阻抗控制的單管匹配，并與只進行基頻匹配的單管進行了對比，通過對比結過可以看出，利用本文提出方法設計單管支持信號帶寬比傳統匹配方式單管寬120MHz左右，效果非常明顯；驗證了方法有效性后，本文又利用該單管設計了面向5G應用的高效率寬帶Doherty系統，在滿足3.3GHz～3.8GHz帶寬飽和功率大于60W的同時，其效率大于40%@8dB OBO，可在低功耗模式下，大大提升信號覆蓋設備的通信帶寬和速率，提升用戶體驗，并且滿足多運營商使用，做到真正的共建共享，綠色節能。

作者單位：劉江濤? ? 京信網絡系統股份有限公司

參? 考? 文? 獻

[1] J. Brinkhoff and A. E. Parker， Effect of baseband impedance on FET intermodulation， IEEE Trans. Microwave Theory Tech.， vol. 51， pp.1045-1051， Mar. 2003

[2] Ning， Z.， et al. An integrated RF match and baseband termination supporting 395 MHz instantaneous bandwidth for high power amplifier applications. 2017 IEEE MTT-S International Microwave Symposium （IMS） IEEE， 2017

[3] 劉江濤.超寬帶高效率功放技術研究[J].信息通信，2017（09）：13-14.