劉繼林

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

UHF大功率功放模塊設(shè)計(jì)的新方法

劉繼林

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

針對OFDM信號(hào)對功放高峰值功率的要求,提出了工作在220～400 MHz的大功率功放模塊設(shè)計(jì)的新方法。該方法結(jié)合ADS軟件仿真分析,按仿真模型用QFX86射頻同軸電纜自制了功率分配/合成網(wǎng)絡(luò),用該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一款輸出峰值功率不小于300 W的功放模塊。該模塊已成功應(yīng)用于某電臺(tái)中且工作良好。

OFDM;大功率功放;功率分配/合成網(wǎng)絡(luò);溫度補(bǔ)償電路;ADS仿真

1 引 言

在無線通信系統(tǒng)中,功放模塊是必不可少的一個(gè)重要組成部分。隨著OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)[1-2]技術(shù)的快速發(fā)展,功放模塊的發(fā)展也面臨著巨大挑戰(zhàn)。因?yàn)?OFDM調(diào)制信號(hào)存在很高的峰均比,在某個(gè)時(shí)刻,多個(gè)子載波以同一個(gè)方向相加,就會(huì)產(chǎn)生很大的峰值,從而要求功放模塊內(nèi)的功率放大器具有很大的線性動(dòng)態(tài)區(qū)域。否則,當(dāng)信號(hào)峰值進(jìn)入放大器的飽和區(qū)域時(shí),就會(huì)使接收信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變,產(chǎn)生子載波之間的互調(diào)干擾和帶外輻射,破壞子載波之間的正交性,惡化系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)證明,滿足系統(tǒng)通信要求誤碼率條件下的峰均比為5～6 dB,按60 W載波設(shè)計(jì),功放模塊的線性動(dòng)態(tài)功率至少為240 W。在現(xiàn)有工藝水平下,國外元器件生產(chǎn)商(Polyfet公司、M/A-COM 公司等)生產(chǎn)的UHF頻段的功率管功率輸出等級(jí)為150 W左右,所以,功放模塊必須采用功率合成才能滿足大于240 W的功率要求。本文介紹的方案分別以金屬柵RF硅FET作為驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)放大,采用功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)和傳輸線變壓器阻抗變換網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法,結(jié)合ADS對合成網(wǎng)絡(luò)仿真,研制出了用于220～400MHz連續(xù)波輸出功率大于300 W的高功率功放模塊。

2 設(shè)計(jì)方案

本方案功放模塊的原理框圖見圖1。由于篇幅所限,本文只詳細(xì)介紹功率放大部分的設(shè)計(jì)和ADS仿真,對功放的其他電路(如濾波器、耦合器、控制保護(hù)電路等)就不作介紹了。

圖1 功放模塊原理框圖Fig.1 Functional block diagram of PA module

該功放工作的狀態(tài)為連續(xù)波,功率放大部分的主要技術(shù)指標(biāo)如下:頻率范圍為220～400MHz,激勵(lì)電平為33 dBm(驅(qū)動(dòng)級(jí)的輸入電平),輸出功率大于等于300W(54.8 dBm)。

功率放大部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于靜態(tài)工作點(diǎn)溫度補(bǔ)償電路和功率分配/合成網(wǎng)絡(luò),而功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)又是整個(gè)功放模塊的核心。本文主要從這兩個(gè)方面加以介紹和分析。

按技術(shù)指標(biāo)要求,功率放大部分的信道增益約22 dB,可分兩級(jí)放大完成,分配/合成網(wǎng)絡(luò)用同軸電纜繞制,增益分配:驅(qū)動(dòng)級(jí)13 dB,末級(jí)10 dB,分配/合成網(wǎng)絡(luò)的損耗約為0.5 dB。

2.1 驅(qū)動(dòng)級(jí)

驅(qū)動(dòng)級(jí)選用美國Polyfet公司的大功率VDMOS管SQ701,SQ701最大柵極電壓20 V,漏極擊穿電壓70 V,最大漏極電流6.5 A,在 200～400 MHz功率增益不小于13 dB,輸入功率33 dBm,輸出功率可達(dá)40 W以上。電路采用平衡/不平衡變換網(wǎng)絡(luò)和4∶1的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的匹配方式,IDQ設(shè)置為1 A。

2.2 分配/合成網(wǎng)絡(luò)

分配/合成網(wǎng)絡(luò)采用的是用同軸電纜繞制的寬帶同相分配/合成網(wǎng)絡(luò),每根同軸線的長度相等,都小于λ/4。

2.3 末級(jí)

末級(jí)選用美國M/A-COM公司的N溝道增強(qiáng)型大功率MOSFET管UF28150J,最大柵極電壓20 V,漏極擊穿電壓60 V,最大漏極電流28 A,在220～400MHz功率增益不小于10 dB,輸入功率43 dBm,輸出功率可達(dá)150 W以上。電路采用平衡/不平衡變換網(wǎng)絡(luò)和4∶1的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的匹配方式,IDQ設(shè)置為1 A。

3 溫度補(bǔ)償電路分析

驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)選用的功率放大管均為FET管,FET器件對工作溫度是很敏感的,其特性有強(qiáng)烈的溫度依賴性[3-5]。工作在AB類,在工作點(diǎn)附近具有正的溫度特性,IDQ變化會(huì)影響系統(tǒng)的增益、效率和線性等指標(biāo),其中又以線性影響最大。因此,在工作中維持功率管(特別是大功率管)IDQ恒定是功放設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)方案中驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)的直流偏置電路包含溫度補(bǔ)償電路,它利用BJT管發(fā)射結(jié)正向壓降Vbe具有負(fù)的溫度系數(shù)工作原理,在飽和工作狀態(tài),對于硅管dVbe/dT=-2.0 mV/℃。利用發(fā)射結(jié)的這個(gè)特性可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償,電路如圖2所示。

圖2 溫度補(bǔ)嘗電路Fig.2 Temperature compensation circuit

當(dāng)IR4>>IB時(shí)(計(jì)算時(shí)可以取10倍關(guān)系),對于該電路有

當(dāng)溫度變化1℃時(shí),Vd的變化量為

約等于LDMOS管的溫度變化系數(shù),試驗(yàn)驗(yàn)證R4=1.5 kΨ、R5=2.2 kΨ時(shí)可以得到比較穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流。

4 ADS仿真分析

4.1 仿真模型

在仿真過程中,先后設(shè)計(jì)了幾種不同形式的分配/合成網(wǎng)絡(luò)模型,有同相的和反相的。以本方案采用的同相分配/合成網(wǎng)絡(luò)性能最佳,仿真模型見圖3。由于篇幅有限,此處對這種網(wǎng)絡(luò)不作理論分析,僅給出仿真模型供參考。

圖3 同相分配/合成網(wǎng)絡(luò)仿真模型Fig.3 Same-phase distribution/synthesis network simulation model

4.2 ADS仿真分析

按照仿真模型,對網(wǎng)絡(luò)中的變量TL1、TL2、TL3和TL4進(jìn)行了優(yōu)化仿真分析,參數(shù)設(shè)置:Start=200 MHz,Stop=520MHz,Step=1MHz,Tem2=Tem3=25 Ψ,Tem1=50 Ψ;R1=50 Ψ。

變量優(yōu)化結(jié)果:TL1=TL2=TL3=TL4=85 mm(特性阻抗50 Ψ),S參數(shù)仿真結(jié)果見圖4～6。

圖4 傳輸特性Fig.4 Transmission characteristics

圖5 反射特性Fig.5 Reflection Characteristics

圖6 隔離特性Fig.6 Isolation characteristics

仿真結(jié)果表明,該種網(wǎng)絡(luò)具有插入損耗小、反射小和隔離度高等優(yōu)點(diǎn)。按該模型制作的同相分配/合成網(wǎng)絡(luò),實(shí)際性能接近仿真結(jié)果。

5 設(shè)計(jì)結(jié)果

按ADS仿真模型,用QFX86射頻同軸電纜自制了分配/合成網(wǎng)絡(luò);用美國 M/A-COM公司的UF28150J在聚四氟乙烯板材(板厚1.6 mm)上完成功率合成,設(shè)計(jì)了符合要求的功率放大模塊,在-55℃～+70℃的溫度范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。測試條件:驅(qū)動(dòng)級(jí)激勵(lì)電平33 dBm,供電電源+28 V,室溫25℃。飽和功率測試結(jié)果見表 1。由表 1可知,在 220～400MHz的頻率范圍內(nèi),功率合成部分的最小輸出功率為325W(55.1 dBm),滿足大于300 W(54.8 dBm)的預(yù)期指標(biāo)要求。

表1 輸出功率測試結(jié)果Table 1 Result of output power test

6 結(jié)束語

通過對合成網(wǎng)絡(luò)的模型設(shè)計(jì)和ADS仿真分析,自制了功率合成的關(guān)鍵部件功率分配/合成網(wǎng)絡(luò),用該網(wǎng)絡(luò)成功研制出一款大功率功放模塊,彌補(bǔ)了大功率功放模塊設(shè)計(jì)的空白。用該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的功放模塊具有頻帶寬、功率高、性能穩(wěn)定、溫度適應(yīng)范圍寬等特點(diǎn),能夠滿足電臺(tái)在OFDM通信體制下60 W載波功率的使用需求。

[1]尹長川,羅濤,樂光新.多載波寬帶無線通信技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2004.

YIN Chang-chuan,LUO Tao,LE Guang-xin.Multi-carrier WirelessCommunicationTechnology[M].Beijing:Beijing UniversityofPostsand Telecommuication Press,2004.(in Chinese)

[2]陳邦媛.射頻通信電路[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

CHEN Bang-yuan.RF Communication Circuit[M].Beijing:Science Press,2002.(in Chinese)

[3]張玉興,趙宏飛.射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

ZHANG Yu-xing,ZHAO Hong-fei.RF and Microwave Power Amplifier Design[M].Beijing:Publishing House of Electronic Industry,2006.(in Chinese)

[4]趙夕彬.射頻寬帶大功率放大器模塊[J].半導(dǎo)體技術(shù),2003,28(2):65-67.

ZHAO Xi-bin.RF wide-band high-power amplifier module[J].Semiconductor Technology,2003,28(2):65-67.(in Chinese)

[5]劉勇,張彬,徐峰.寬帶大功率放大器技術(shù)性能研究[J].無線通信技術(shù),2002(3):42-46.

LIU Yong,ZHANG Bin,XU Feng.Research on technical performance of broadband power amplifier[J].Wireless Communication Technology,2002(3):42-46.(in Chinese)

LIU Ji-lin was born in Huaibei,Anhui Province,in 1977.He received the B.S.degree from Lanzhou University in 2001.He is now an engineer.His research concerns the development and design of U/V power amplifier of radio.

Email:liujl@swiet.com.cn

A Novel Design Method for UHF High Power Amplifier Module

LIU Ji-lin
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

According to the requirement of high peak power of Power Amplifier(PA)for OFDM signal,a novel design method for high power amplifier operating at 220～400 MHz is proposed.Based on the simulation analysis by ADS software,QFX86 Radio Frequency(RF)coaxial cable is used to build up a power distribution/synthesis network and this network is employed to develop a PA module with peak power no less than 300 W.This module has been successfully applied in a radio set and it perferms well.

OFDM;high power amplifier;power distribution/synthesis network;temperature compensation circuit;ADS simulation

TN722

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.032

1001-893X(2012)06-0988-04

2011-11-23;

2012-03-07

劉繼林(1977—),男,安徽淮北人,2001年于蘭州大學(xué)獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要從事通信電臺(tái)U/V功放研究和設(shè)計(jì)工作。