50W寬帶線性射頻功放設(shè)計(jì)綜述

50W寬帶線性射頻功放設(shè)計(jì)225MHz～512MHz一、OFDM系統(tǒng)對(duì)射頻功放的要求隨著現(xiàn)代無(wú)線通信的迅猛發(fā)展，各種非恒包絡(luò)調(diào)制方式與多載波技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用，這些信號(hào)具有寬頻帶和高峰均比(PAR)等特點(diǎn)，要求功率放大器具有很好的線性度，同時(shí)功率放大器是整個(gè)通信系統(tǒng)中能耗最大的部件，這就又要求其具有盡可能高的效率。在飽和狀態(tài)下工作時(shí)，功率放大器的效率最高，但線性度不佳，非線性會(huì)使頻譜擴(kuò)展到信號(hào)帶寬以外，從而干擾相鄰?fù)ǖ?，降低鄰道泄漏?ACLR)性能。在信號(hào)帶寬內(nèi)，功率放大器非線性也會(huì)導(dǎo)致失真增加，從而降低接收機(jī)的誤差矢量幅度(EVM)性能，使誤碼率(BER)增大。帶寬大子載波數(shù)目多的信號(hào)其PAPR大，受到非線性功放的影響也大圖1.1給出不同帶寬條件下，發(fā)射信號(hào)峰均比的CCDF曲線帶寬越大的信號(hào)其PAPR越大，對(duì)功放線性要求越高6MHz帶寬的條件下PAPR大于10dB的概率是4*10-21.2MHz帶寬的條件下PAPR大于10dB的概率是10-2500KHz帶寬的條件下PAPR大于10dB的概率是3*10-3二、功放線性化技術(shù)為了解決線性和效率之間的矛盾，各種功放線性化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。方法之一是降低功率放大器的輸入信號(hào)電平，使其在傳遞曲線的線性部分工作，但這會(huì)導(dǎo)致電源效率不佳，這種方法最簡(jiǎn)單，但會(huì)增加成本；為了實(shí)現(xiàn)所需的功率輸出，必須使用更大、更昂貴的功率放大器，并且90%以上的直流功率轉(zhuǎn)化成了熱量而沒(méi)有得到利用。二、功放線性化技術(shù)數(shù)字預(yù)失真技術(shù)因其成本低、線性度改善效果好等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。利用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，可以通過(guò)使發(fā)射信號(hào)預(yù)失真來(lái)滿足頻譜要求，同時(shí)讓工作在高效率飽和區(qū)的功率放大器有效線性化。采用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)需要一個(gè)反饋接收機(jī)，通過(guò)其對(duì)功率放大器輸出的耦合信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，然后與發(fā)射波形的數(shù)字信號(hào)相比較，由自適應(yīng)算法計(jì)算或更新一系列參數(shù)，以便預(yù)加到下一個(gè)發(fā)射波形上。當(dāng)自適應(yīng)算法收斂時(shí)，功率放大器即使工作于非線性部分，發(fā)射機(jī)輸出也實(shí)現(xiàn)了線性化。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)可將發(fā)射機(jī)效率從10%以下提高到35%以上，具體取決于所用的算法和功率放大器類型。數(shù)字預(yù)失真三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況TI公司的預(yù)失真器GC5325、GC5322分別把ACLR改善20～30dB、20dB以上，輸入信號(hào)帶寬可達(dá)20MHzGC5322/5DigitalPre-DistortionSystemGC5325EVMBlockDiagramWCDMA'1111'SpectralPerformanceat2.14GHzand48.9dBm三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況PMC-Sierra公司的預(yù)失真器PM7800PALADIN10、PM7815PALADIN15與前饋方案相比頻譜功率的效率可提高50%以上PALADIN15MCPA-EQUIPPEDWCDMABTS三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況Intersil公司的預(yù)失真器ISL5239基于雙查找表，其輸入信號(hào)帶寬可達(dá)20MHzCLOSED-LOOPDIGITALPREDISTORTIONUSINGTHEISL5239PREDISTORTIONPERFORMANCE三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況Optichron公司的預(yù)失真器OP6180能自適應(yīng)任何制式的信號(hào)組合、支持任何PA技術(shù)（AB,Doherty,EnvelopeTracking等）以及晶體管架構(gòu)(LDMOS,GaS,GaN等)，ACPR改善達(dá)30～40dB。Optichron公司是一個(gè)專門做功放線性化的小公司，Optichron公司的預(yù)失真芯片只有兩個(gè)系列OP4400和OP6180，但是性能非常出色，敢稱業(yè)界最好。因在數(shù)字預(yù)失真技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者地位，這家公司于2011年3月被NetLogicMicrosystems公司收購(gòu)，隨后9月份Broadcom公司又收購(gòu)了NetLogicMicrosystems公司，便推出了最新版本的預(yù)失真芯片BCM51030，比傳統(tǒng)DPD技術(shù)提供高10倍的帶寬，使單個(gè)PA的功耗降低20-50%。SimplifiedblockdiagramoftheOP6180-DEVSOP6180-DEVdevelopmentplatform1.88GHzDPDcorrection三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況賽靈思與AnalogDevices公司合作，開(kāi)發(fā)了高性能的多模無(wú)線演示平臺(tái)，來(lái)演示帶有第三方功率放大器、可在各種頻率和任意無(wú)線接口上運(yùn)行的DPD解決方案。XilinxML605電路板和AnalogDevices的混合信號(hào)數(shù)字預(yù)失真（MSDPD）電路板通過(guò)兩塊電路板上的FMC接頭連接起來(lái)。XilinxML605上實(shí)施了具有DUC、DDC、CFR和DPD功能的高級(jí)信號(hào)處理應(yīng)用，充分利用了AnalogDevices公司MSDPD板上的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和RF信號(hào)鏈路。FPGA＋AD/DAAD-MSDPD-EVBBlockDiagramFPGA＋AD/DA方案主要廠家中興、華為、芯通、普天、云?！编]：牛凱教授（普天、云海合作）成電：何松柏教授（華為合作）寧大：劉太君教授（安捷倫合作）芯通（交大合作）中興降耗主要措施自主開(kāi)發(fā)了高效率DohertyPA和DPD線性化技術(shù)動(dòng)態(tài)功放電壓調(diào)節(jié)技術(shù)：讓功放的電壓自動(dòng)適應(yīng)業(yè)務(wù)負(fù)載，根據(jù)輸出功率動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)輸出功率比較低時(shí)，功放電壓就被設(shè)置為低于其最大輸出功率電壓智能OFDM符號(hào)關(guān)斷技術(shù)：當(dāng)沒(méi)有基帶數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，OFDM符號(hào)就自動(dòng)關(guān)斷寧波大學(xué)射頻實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)寧波大學(xué)實(shí)地測(cè)試頻率470MHz功率20WDoherty功放的結(jié)果：Scintera公司模擬預(yù)失真方案SC1894SystemBlockDiagramScintera是一家致力于射頻預(yù)失真解決方案的公司，其研發(fā)設(shè)計(jì)的系列芯片可有效提升射頻功率放大器的線性。Scintera提供可編程的模擬信號(hào)處理平臺(tái)，與傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理解決方案DPD相比，該平臺(tái)的能耗更低、成本更低、簡(jiǎn)單易用。NXPBLF6G27-150P測(cè)試效果我們?cè)O(shè)計(jì)的功放在SC1887平臺(tái)測(cè)試情況中心頻率700MHz信號(hào)帶寬3.84MHz輸出37dBm，ACLR改善10dB輸出40dBm，ACLR無(wú)改善雙音間隔1MHz、4MHz輸出37dBm改善20dB，間隔1MHz以下或輸出40dBm均無(wú)改善四、功放模塊設(shè)計(jì)整個(gè)功放模塊主要由六（七）部分組成開(kāi)關(guān)衰減單元功放單元濾波器單元（外購(gòu)）耦合檢波單元CPU控制單元電源單元（外購(gòu)）（模擬預(yù)失真單元）四、功放模塊設(shè)計(jì)五、主要設(shè)計(jì)指標(biāo)工作頻率225MHz～512MHz輸出功率50W（47dBm）輸入信號(hào)0dBm其他濾波器單元性能參數(shù)一路二路截止頻率340MHZ516MHZ通帶頻率221MHz-340MHz340MHz-516MHz帶內(nèi)插損≤1.0dB（221MHz-340MHz）≤1.0dB（340MHz-516MHz）阻帶抑制442MHz≥50dBc，480MHz≥60dBc680MHz≥50dBc，710MHz≥60dBc帶內(nèi)駐波≤1.3（221MHz-340MHz）≤1.3（340MHz-516MHz）隔離≥60dB開(kāi)關(guān)時(shí)間≤10μs功率150W工作溫度-45℃～+70℃貯存溫度-50℃～+70℃（高溫存儲(chǔ)48小時(shí)，低溫24小時(shí)）封裝大約230*50*20mm（越小越好）電源單元輸入輸出電壓偏差28V20V～31.5V+100V-5V+50V-0.5V+5V+0.2V+12V-1V-5V-0.2V電流0.05A20A10A1.25A0.5A紋波（mV）5025252525尖脈沖（mV）100100505050保護(hù)輸入電壓保護(hù)過(guò)載保護(hù)輸出限流保護(hù)輸出限流保護(hù)過(guò)載保護(hù)過(guò)載保護(hù)轉(zhuǎn)換效率≥80%開(kāi)關(guān)頻率200kHz~300kHz隔離電壓500V工作溫度-45℃～+70℃貯存溫度-50℃～+85℃封裝300*150*80mm功放單元增益G＝47－0＝47dB三級(jí)放大按照目前該頻段的器件水平，一個(gè)功放管難于做到，所以采用三級(jí)放大，為保證線性度與效率的兼顧，推動(dòng)級(jí)工作于A類，主放大工作于AB類六、主要器件的選型1、50W功率管的選擇：A、工作頻率B、1dB壓縮點(diǎn)功率C、增益A、工作頻率1、工作頻段225～512MHz2、寬帶功放射頻功放管如何判斷是否適合應(yīng)用于寬帶場(chǎng)合？輸入特性參數(shù)Q：Q＝Rp/XpQ值越小，功放管的帶寬應(yīng)用越寬B、1dB壓縮點(diǎn)功率輸出50W濾波器插損OFDM信號(hào)線性度（峰均比PAR＝10dB）設(shè)計(jì)冗余500WC、增益電路的調(diào)試和復(fù)雜度采用三級(jí)放大，增益較高更易做到采購(gòu)射頻功率管器件考慮因數(shù)：A、性能B、價(jià)格C、采購(gòu)周期D、禁運(yùn)E、技術(shù)支持2、初步選擇推動(dòng)級(jí)、主放大級(jí)功放管推動(dòng)級(jí)Freescale：MW6S004NT1、MRFE6VS25LR5主放大Freescale：MRFE6VP5600HR6七、功放管的仿真1、仿真的目的A、采用不同的電路結(jié)構(gòu)驗(yàn)證所選用的功放管是否合適？能否在225～512MHz內(nèi)正常工作，包括穩(wěn)定性、增益平坦度、輸入輸出駐波比、三階互調(diào)等指標(biāo)都在允許的范圍內(nèi)否或者能達(dá)到什么樣的理論水平？B、為調(diào)試提供趨勢(shì)性參考，比如柵極、漏級(jí)電壓對(duì)電路性能的影響，改變匹配器件的值對(duì)各種指標(biāo)的影響等。C、在選型確定的情況下完成匹配設(shè)計(jì)2、用ADS進(jìn)行仿真A、大信號(hào)與小信號(hào)的區(qū)別描述阻抗特性的各參數(shù)受到工作頻率、輸入電平、輸出端的負(fù)載阻抗、電源電壓、偏置以及溫度等的影響。B、傳輸線變壓器的使用通常功放管的功率越大，輸入輸出阻抗越小，在寬頻帶功率放大器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，一般端口的阻抗都為50Ω，而功放管的輸入輸出阻抗都是很小的，所以在用同軸電纜進(jìn)行寬帶匹配的時(shí)候?qū)鬏斁€進(jìn)行不同的繞法可以得到不同比值的阻抗變換。在實(shí)際的使用當(dāng)中，經(jīng)常用到的同軸電纜變壓器有：4:1阻抗變換、9:1阻抗變換和平衡不平衡變換。改變同軸電纜的繞法和連接方式還可以得到其他特殊比值的阻抗變化器。C、靜態(tài)工作點(diǎn)的確定首先確定功放管的工作狀態(tài)然后按照數(shù)據(jù)手冊(cè)上給出的Ids值，仿真出柵極電壓D、穩(wěn)定性仿真放大器的穩(wěn)定系數(shù)K，穩(wěn)定性判據(jù)如下：其中△=|S11S22-S12S21|。當(dāng)K>1且△<0時(shí)，放大器處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；K<1，電路則潛在不穩(wěn)定。滿足K>1，△<0即可若在某些頻率存在不穩(wěn)定，通過(guò)在輸入端串聯(lián)小電阻等方法，再進(jìn)行仿真，直到在工作頻段滿足要求即可E、用負(fù)載牽引的方法匹配輸出、輸入端是通過(guò)不斷改變功放管負(fù)載阻抗，測(cè)試功放的輸出功率和效率。在最大輸出功率和最大效率之間取一個(gè)阻抗值作為輸出阻抗。同理，改變?cè)醋杩梗谧畲筝敵龉β屎妥畲笮手g取一個(gè)值作為輸