高貴虎 蘇凱雄 范夢怡

?

P北斗導(dǎo)航射頻功率放大器設(shè)計

高貴虎1蘇凱雄1范夢怡2

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

本文提出一種改進型北斗導(dǎo)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(jié)合的方法設(shè)計末級功率放大器，運用功率回退技術(shù)設(shè)計前置級放大器和驅(qū)動級放大器，運用共軛匹配法設(shè)計級間匹配電路減少插損。經(jīng)過理論分析、仿真設(shè)計和實物調(diào)試，驗證了方案的合理性，制作出可應(yīng)用于北斗導(dǎo)航終端產(chǎn)品的高效率、高線性度、大功率的射頻功率放大器。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；射頻功率放大器；附加功率效率；增益

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過十余年的發(fā)展，已經(jīng)慢慢發(fā)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。作為衛(wèi)星通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，射頻功率放大器關(guān)系到信號能否順利被衛(wèi)星接收。由于國外芯片巨頭暫無針對北斗系統(tǒng)設(shè)計芯片計劃，國內(nèi)的技術(shù)水平仍欠佳，導(dǎo)致目前市面上的射頻功率放大器方案效率低、線性度差、穩(wěn)定性一般。

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

1 系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)分析

1.1 系統(tǒng)組成

本文提出的改進型北斗導(dǎo)航射頻功率放大器結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由前置級放大器、驅(qū)動級放大器、末級放大器、溫度補償網(wǎng)絡(luò)[2]、濾波器、使能開關(guān)等單元電路組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的輸入信號為北斗L頻點BPSK調(diào)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(wěn)定性好等優(yōu)點，能夠提供11dB增益。為了提高線性度，驅(qū)動級和前置級采用功率回退技術(shù)適當(dāng)提高1dB點，驅(qū)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(wǎng)絡(luò)FAC0603，其插入損耗約3dB。為了提高收發(fā)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(tǒng)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(shè)計要求。

1.3 線性度分析

三階互調(diào)3作為衡量放大器線性度的主要指標(biāo)，表達式如下：

式中，1、d為各級放大器的三階互調(diào)系數(shù)。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(shè)兩級放大器的三階互調(diào)系數(shù)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(dāng)越大時，將越小。通過功率回退設(shè)計，前置級和驅(qū)動級的3指標(biāo)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(guān)電源的效率高達96%。電源設(shè)計時不恰當(dāng)?shù)臄[放、走線都會對器件間的近場耦合產(chǎn)生影響，進而傳導(dǎo)EMI干擾射頻功率放大器[4]。結(jié)合芯片手冊和預(yù)設(shè)的回退值，前置級工作點為5V、100mA；驅(qū)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(tǒng)設(shè)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(shè)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(yīng)晶體管、輸入輸出匹配電路、偏置電路等組成。合適的靜態(tài)工作點能夠讓放大器工作在線性區(qū)，通過伏安特性和穩(wěn)定性仿真，確定靜態(tài)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(jié)合的設(shè)計方法[5]。牽引法的核心是通過持續(xù)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(diào)整電路參數(shù)可使二者盡量收斂重合。負載牽引的仿真結(jié)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(yōu)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(diào)用Smith圓圖做輸出阻抗共軛匹配，為了方便調(diào)試，采用傳輸線和村田電容相結(jié)合的方法做動態(tài)優(yōu)化。

源牽引仿真設(shè)計同負載牽引仿真，本文不再贅述。經(jīng)過仿真優(yōu)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(jié)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(tǒng)級聯(lián)性能仿真

級間阻抗匹配關(guān)系到功率能否正常傳輸，當(dāng)阻抗不連續(xù)時，功率傳輸將引入額外的插入損耗[6]。為了抑制系統(tǒng)EMI，匹配電路設(shè)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(lián)電感ESL等方法可最大化濾波性能[7-10]。本文采用集總參數(shù)和分布參數(shù)相結(jié)合的方法設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)前后級阻抗做共軛匹配。以驅(qū)動級輸出和末級輸入為例，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 驅(qū)動級和末級間匹配網(wǎng)絡(luò)性能仿真圖

從圖4可以看出，匹配網(wǎng)絡(luò)引入的插入損耗較小，S11和S22指標(biāo)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(shè)計，所得仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，當(dāng)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(dǎo)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(diào)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(diào)3的關(guān)系為

圖5 系統(tǒng)輸出功率和附加功率效率仿真結(jié)果

在輸出功率和效率仿真分析的基礎(chǔ)上做雙音諧波仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)輸出功率out為40dBm時，三階互調(diào)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(jié)合射頻硬件設(shè)計方法，嚴(yán)格控制走線阻抗，同時應(yīng)用腔體理論屏蔽外界干擾，提高散熱效率。基板作為傳輸媒介直接關(guān)系到信號傳輸，本文采用插入損耗小、溫度穩(wěn)定性好的Rogers4350B。經(jīng)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(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀調(diào)試電路，所得測試結(jié)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(dāng)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(dǎo)航10W設(shè)計要求。當(dāng)線性增大輸入功率時，輸出功率同比增大；當(dāng)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(qū)間內(nèi)具有良好的線性度。

當(dāng)輸出功率為40.117dBm時，穩(wěn)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(jié)果54.174%和理論值55.74%。

4 結(jié)論

本文提出改進型北斗導(dǎo)航射頻功率放大器解決方案，采用負載牽引和源牽引相結(jié)合的方法，設(shè)計各級功率放大器、共軛匹配的方法設(shè)計級間匹配網(wǎng)絡(luò)、功率回退技術(shù)優(yōu)化線性度、多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化法動態(tài)優(yōu)化射頻鏈路。經(jīng)過詳細的理論分析、指標(biāo)分配、仿真設(shè)計和實物制作，驗證了方案的可行性。本方案設(shè)計的射頻功率放大器具有效率高、線性度高和溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點，對比測試北斗行業(yè)其他公司方案均具有一定的優(yōu)勢，現(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用于北斗導(dǎo)航終端產(chǎn)品。

[1] 李源, 錢向陽, 李紹雄. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J]. 通信世界, 2016(14): 217-218.

[2] 黃亮, 章國豪, 張志浩, 等. 一種帶有溫度補償電路的射頻功率放大器[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報, 2015, 44(6): 814-817.

[3] 樸哲華, 梁昌洪. 改善放大器三階交調(diào)失真的一種方法[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2004, 27(21): 109-110.

[4] 胡欽俊, 陳慶彬, 陳為. 考慮近場磁耦合干擾的傳導(dǎo)EMI仿真分析[J]. 電氣開關(guān), 2015, 53(6): 42-45.

[5] 王衛(wèi)衛(wèi), 常樹茂. 雙頻高效功率放大器設(shè)計[J]. 通信技術(shù), 2013(11): 115-119.

[6] 王玉江, 王志斌, 陳媛媛, 等. AOTF-NIR寬帶功率超聲換能器阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與優(yōu)化[J]. 電子學(xué)報, 2017, 45(5): 1057-1063.

[7] 陳恒林, 錢照明, Christian Wolf. 布局對EMI濾波器性能影響的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2008(8): 7-12, 35.

[8] 楊韻勍. 常用濾波器設(shè)計及性能分析[J]. 電氣開關(guān), 2012, 50(5): 76-79.

[9] 王世山, 龔敏, 宋崢. 基于散射參數(shù)法的EMI濾波器電磁噪聲抑制效果預(yù)測[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(18): 66-74.

[10] 宋崢, 王世山. EMI濾波器網(wǎng)絡(luò)最佳工作狀態(tài)設(shè)計及其平面化實現(xiàn)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(7): 179- 187.

[11] 柯強, 劉欣, 劉昱, 等. 一種高線性度寬帶可編程增益放大器[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2016, 42(6): 30-33.

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(chǎn)學(xué)研重大基金資助項目（2015H6014）