徐 謙，劉太君，葉 焱，郭曉鋒，李瑞陽

（寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波315211）

0 引言

隨著4G通信商用腳步的開始，未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，多種制式的通信系統(tǒng)將共存，底層的通信設(shè)備將面臨巨大考驗(yàn)。能夠適應(yīng)不同制式，自由工作在不同頻段的多波段、多模式[1]射頻功率放大器在未來會(huì)有很大的前景。國內(nèi)外研究學(xué)者在多波段器件方面的研究成果給多波段射頻功放的研究帶來了一定的推動(dòng)力。最近幾年，相繼有學(xué)者在多波段射頻功放領(lǐng)域發(fā)表研究成果，但可重構(gòu)多波段[2]射頻功放的研究還是寥寥無幾。

多波段射頻功率放大器設(shè)計(jì)的主要方法有超寬帶功放[3]、并發(fā)多波段功放[4]和可重構(gòu)多波段功放?？芍貥?gòu)多波段功放和前2種功放的主要區(qū)別在于其可重構(gòu)性和靈活性，它在不同的幾個(gè)頻段之間，可以根據(jù)外部的控制信號(hào)來切換。日后再輔以輸入信號(hào)檢測電路，完全可以達(dá)到“智能功放”的特點(diǎn)，自動(dòng)切換功放的工作狀態(tài)，達(dá)到真正的頻率高效利用。

1 設(shè)計(jì)思路

可重構(gòu)多波段功放的主要設(shè)計(jì)思路就是利用可重構(gòu)器件來實(shí)現(xiàn)功放工作狀態(tài)的配置。開關(guān)是常用的可重構(gòu)器件，但一般低頻電路中的開關(guān)因?yàn)槠洳鍝p和頻率特性，并不適合用于射頻電路。PIN二極管[5]的單向?qū)ㄌ匦钥梢詫?shí)現(xiàn)開關(guān)的特性，相比較MEMS[6]開關(guān)具有成本低、電路簡單的特點(diǎn)。利用該特性來改變功放匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功放在不同工作頻點(diǎn)間工作。

可重構(gòu)多波段功放的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖中通過開關(guān)的控制，選擇參與匹配的電容，實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)1和匹配網(wǎng)絡(luò)2之間的切換。基于該設(shè)計(jì)思路，在匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)可以拓展電路結(jié)構(gòu)，增加參與匹配的器件，最終通過開關(guān)控制可以達(dá)到多波段切換工作的目的。

圖1 可重構(gòu)多波段功放設(shè)計(jì)框圖

2 可重構(gòu)器件設(shè)計(jì)

可重構(gòu)器件即通過外部控制信號(hào)，切換其不同工作特性及狀態(tài)的器件，例如開關(guān)和可變電容[7]等?，F(xiàn)成的射頻開關(guān)芯片由于其封裝的尺寸和特性，在功放設(shè)計(jì)中不具有靈活性。PIN二極管具有插損小、頻段寬的特點(diǎn)，可用于射頻開關(guān)電路設(shè)計(jì)。

2.1 PIN二極管開關(guān)仿真

選用Skyworks的SMP1345－079LF型號(hào)PIN二極管，該二極管插損小，等效電容小，并有多種封裝形式，可以實(shí)現(xiàn)單刀單置和單刀多置開關(guān)。PIN二極管要實(shí)現(xiàn)開關(guān)的功能，需要合理地設(shè)計(jì)偏置電路，使其能夠良好地實(shí)現(xiàn)“開”和“關(guān)”的狀態(tài)。偏置電路的作用除了提供直流供電外，還需要扼制交流信號(hào)。而且，開關(guān)直接加在匹配網(wǎng)絡(luò)中，要和功放自身的偏置電路隔絕開，控制電壓的變化不能影響功放本身的靜態(tài)工作點(diǎn)。利用PIN二極管設(shè)計(jì)的開關(guān)電路如圖2所示。

圖2 PIN二極管開關(guān)原理

該設(shè)計(jì)中偏置網(wǎng)絡(luò)加在匹配電容和PIN二極管之間，既保證匹配電容隔絕開關(guān)直流電流，又使交流信號(hào)能夠通過匹配電容和PIN二極管到地。

在先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced Design System，ADS）仿真軟件中通過仿真開關(guān)2個(gè)端口的S參數(shù)，可以測試出特性。仿真得到的S21曲線如圖3所示，即開關(guān)的插損特性。

圖3 開關(guān)仿真特性曲線

從圖3中可以很直觀地了解到設(shè)計(jì)的開關(guān)在“開”與“關(guān)”2個(gè)狀態(tài)下的巨大差別，在很寬頻段內(nèi)都有10dB以上的隔離度。

2.2 PIN二極管開關(guān)測試

根據(jù)仿真設(shè)計(jì)原理圖，在實(shí)際PCB板上利用實(shí)際的電容、電阻和PIN二極管芯片搭建測試電路。實(shí)際的測試電路如圖4所示，通過PIN二極管構(gòu)成的開關(guān)來控制電路的導(dǎo)通與否。

圖4 PIN二極管實(shí)測電路

實(shí)際測得的曲線如圖5所示。

圖5 PIN二極管開關(guān)實(shí)測曲線

從圖5中的曲線可以看出，“開”和“關(guān)”狀態(tài)之間的插損相差15dB，保證了有效的隔離度。從頻率特性來看，S11＜－10dB以下的帶寬可以達(dá)到100MHz以上，完全滿足單個(gè)頻段工作帶寬需求。

3 多波段射頻功放設(shè)計(jì)

在功放匹配電路中應(yīng)用可重構(gòu)器件，實(shí)現(xiàn)不同匹配網(wǎng)絡(luò)之間的切換，就能達(dá)到功放在不同工作頻段點(diǎn)間的配置。

匹配網(wǎng)絡(luò)主要由微帶、電容和電感組成，由于微帶的可操作性差，因此可以利用開關(guān)來控制匹配電容的接入。這樣不僅可以保證匹配網(wǎng)絡(luò)的簡化，也能減少開關(guān)對匹配網(wǎng)絡(luò)的影響。設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先要保證不同頻段匹配網(wǎng)絡(luò)之間微帶電路的一致，使其結(jié)構(gòu)差異僅體現(xiàn)在參與匹配的電容。為實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻段之間超寬頻的跨度，選擇功放管時(shí)可以選擇寬帶特性的GaN，其輸出匹配電路可以利用寬帶匹配技術(shù)[8]，在一個(gè)匹配電路內(nèi)覆蓋整個(gè)頻段跨度。功放的整體設(shè)計(jì)框架如圖6所示。在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)中，通過幾個(gè)PIN二極管開關(guān)的組合，可以達(dá)到多個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)的效果，實(shí)現(xiàn)幾個(gè)頻段的切換。

圖6 可重構(gòu)多波段功放設(shè)計(jì)框架

在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇1750MHz、2100MHz和2600MHz這個(gè)3個(gè)中心頻點(diǎn)，覆蓋了目前常用的一些頻段，也突破了目前LDMOS管子的最大工作頻段跨度。這3個(gè)頻段也代表了未來3G和4G[9]商用的幾個(gè)典型頻段，包含了TDD和FDD[10]這2種制式。晶體管選用CREE公司型號(hào)CGH40010的GaN管子。在ADS中設(shè)計(jì)完成的功放電路原理圖如圖7所示。

圖7 可重構(gòu)多波段功放仿真電路圖

4 測試結(jié)果

在實(shí)際制板中，采用Rogers4350B板材，板厚0.762mm，介電常數(shù)3.66，敷銅厚度25um。實(shí)際制作調(diào)試完成的功放電路圖如圖8所示。在功放輸出端，寬帶匹配技術(shù)結(jié)合GaN管子的寬帶特性，在一個(gè)匹配電路中完成了3個(gè)頻段的整體覆蓋，保證功放在不同頻點(diǎn)都有良好的輸出特性。在輸入匹配電路中引入了2個(gè)開關(guān)電路，控制匹配電容的接入。2個(gè)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)4種組合，滿足設(shè)計(jì)需要的3個(gè)頻段之間的切換，減少了開關(guān)數(shù)量。在實(shí)際調(diào)試當(dāng)中，開關(guān)的減少也避免了開關(guān)電路對匹配網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步影響。

圖8 功放實(shí)際測試電路圖

開關(guān)1和開關(guān)2通過外部電壓控制，使功放在模式1（2600MHz）、模式2（2100MHz）和模式3（1710MHz）之間切換工作。模式1狀態(tài)下功放的小信號(hào)測試曲線如圖9所示。此時(shí)開關(guān)1和開關(guān)2都處于“關(guān)”狀態(tài)。從圖9中的S參數(shù)可以看到，功放在1700～2650MHz頻段內(nèi)有14～16dB增益。且模式1下，功放在2600MHz頻段附近具有良好的S參數(shù)特性。

圖9 模式1狀態(tài)下功放實(shí)測曲線

當(dāng)開關(guān)1“關(guān)”、開關(guān)2“開”時(shí)，功放切換到模式2。模式2下的功放測試曲線如圖10所示。此時(shí)功放在1800～2200MHz頻段內(nèi)有良好的寬帶特性，增益平坦度也保證在1dB以內(nèi)，并且S11都在－10dB以下。

圖10 模式2狀態(tài)下功放實(shí)測曲線

當(dāng)開關(guān)1“開”、開關(guān)2“關(guān)”時(shí)，功放切換到模式3。模式3的測試情況如圖11所示，在1700～1800MHz頻段內(nèi)，功放S11＜－11dB，增益波動(dòng)范圍達(dá)到0.7dB。

圖11 模式3狀態(tài)下功放實(shí)測曲線

5 結(jié)束語

實(shí)際測試結(jié)果表明，基于PIN二極管開關(guān)的可重構(gòu)多波段功放的設(shè)計(jì)方法具有相當(dāng)?shù)目尚行?。?shí)際調(diào)試發(fā)現(xiàn)，PIN二極管開關(guān)電路具有簡單的電路結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定，多個(gè)PIN二極管開關(guān)的組合，可以為今后更多頻段之間的切換提供便利。該設(shè)計(jì)方法較其他的方案來說，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便和易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，在未來進(jìn)一步結(jié)合寬帶功放設(shè)計(jì)以后，會(huì)具有更大的應(yīng)用前景。

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