面向5G通信應(yīng)用的射頻功放研究

摘要：隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，數(shù)據(jù)速率要求已經(jīng)到了非常高的水平，如5G通信最大下載速率達(dá)到1Gbps，與之對應(yīng)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(shí)射頻功率放大器，因此本文重點(diǎn)研究面向5G應(yīng)用的射頻功放，即高頻、大瞬時(shí)帶寬、高效率功放。

關(guān)鍵詞： 5G；射頻功放；瞬時(shí)寬帶；高效率

一、引言

射頻功放寬帶及高效率技術(shù)一直以來都是通信行業(yè)研究熱點(diǎn)，特別是5G發(fā)牌后，5G 通信需求對頻譜帶寬和設(shè)備效率的要求達(dá)到了前所未有的水平。目前很多學(xué)者對這方面也進(jìn)行了相關(guān)研究，但還有一些關(guān)鍵技術(shù)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(shí)能夠支持超寬帶瞬時(shí)帶寬的通信要求，這對射頻功放的設(shè)計(jì)來講具有非常大的挑戰(zhàn)。

雖然過去幾年，在功放寬帶信號線性改善方面有見報(bào)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(yīng)用問題；本文主要通過對GaN HEMT的基頻、包絡(luò)頻率、諧波頻率對應(yīng)的阻抗進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到超寬帶信號改善的目標(biāo)，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(fù)雜度，同時(shí)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(lì)下IMD3的影響因素，從而確定設(shè)計(jì)功放寬帶線性的思路方法。

工作在飽和區(qū)共源場效應(yīng)管漏極電流的3階泰勒展開式如下：

（1）

（2）

Gm為場效應(yīng)管的跨導(dǎo)，Gd為場效應(yīng)管的輸出電導(dǎo)，Gm2， Gm3是跨導(dǎo)隨柵壓的變化量，Gd2， Gd3 為輸出電導(dǎo)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(guān)系， Gmd2表示Gm對漏極電壓的二階非線性依賴關(guān)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(guān)系。

假設(shè)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(diào)電壓幅度為：

（4）

（5）

上述方程中的參數(shù)c0，c1，c2，r在文獻(xiàn)[2]中有明確定義，這里只通過方程對三階互調(diào)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(diào)幅值且與外部電路設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù)主要有，2階互調(diào)（包絡(luò)）頻率阻抗、3階互調(diào)頻率阻抗、2次諧波頻率阻抗，所以面向5G超寬帶功放設(shè)計(jì)可以從上面幾個(gè)要素綜合考慮。

三、功放單管匹配電路設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)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(jù)上節(jié)理論分析功放的寬帶線性除了與基頻3階頻率阻抗有關(guān)，還與包絡(luò)頻率阻抗及2次諧波阻抗有關(guān)，結(jié)合目前行業(yè)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(kuò)大雙音頻率間隔直到IMD出現(xiàn)明顯的諧振（IMD突變）時(shí)，把IMD出現(xiàn)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(luò)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(nèi)或附近，與基頻阻抗一起考慮匹配，主要考慮對帶內(nèi)多個(gè)射頻指標(biāo)的影響，本文主要從2階（包絡(luò)）頻率阻抗及2次諧波阻抗幅值的角度優(yōu)化功放寬帶信號情況下線性指標(biāo)。如圖2所示。

從圖2可以看出經(jīng)過優(yōu)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(yīng)優(yōu)化前后兩種匹配功放的寬帶線性結(jié)果對比如圖3所示（工作頻段3.3GHz～3.8GHz，雙音中心頻點(diǎn)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(yōu)化的匹配，其IMD諧振點(diǎn)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(yōu)化的匹配，其諧振點(diǎn)約在310MHz處，即其支持最大信號帶寬約為310MHz。由此可見本文設(shè)計(jì)匹配的先進(jìn)性，基于基頻，2階、3階及2次諧波頻率阻抗優(yōu)化匹配的功放原理圖如圖4所示，其功率和效率指標(biāo)如圖5所示。

四、面向5G應(yīng)用的寬帶高效率Doherty設(shè)計(jì)[3]

上面章節(jié)研究并設(shè)計(jì)了支持超寬瞬時(shí)信號的功放管匹配電路，本節(jié)將利用上面設(shè)計(jì)的單管設(shè)計(jì)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(shí)進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，節(jié)約社會資源。

為了實(shí)現(xiàn)寬帶高效率Doherty，除了單管寬帶的匹配電路設(shè)計(jì)，負(fù)載調(diào)制拓?fù)淅媚鍰oherty架構(gòu)，在合路端采用3階切比雪夫阻抗變換器，將合路點(diǎn)阻抗從12.5歐轉(zhuǎn)換至50歐，從而在滿足3.3～3.8GHz 500MHz 工作帶寬同時(shí)，達(dá)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(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如圖7所示。

通過圖7可以看出，該Doherty系統(tǒng)在3.3GHz～3.8GHz的工作帶寬內(nèi)，輸出功率為40dBm時(shí)，PAE>41%，Psat>47.8dBm，Gain>10.8dB，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足應(yīng)用要求，該設(shè)計(jì)同時(shí)支持了電信，聯(lián)通5G頻段以及部分國外運(yùn)營頻段，做到了最大化兼容。另外為了評估該Doherty系統(tǒng)能支持的最大信號帶寬，本文還用雙音間隔信號進(jìn)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(jié)果如圖8所示。

通過圖8可以看出，該Doherty系統(tǒng)支持信號帶寬大于370MHz。

五、結(jié)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(shí)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(shí)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(yàn)證本文提出方法的正確性，本文利用寬帶GaN HEMT設(shè)計(jì)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(jìn)行基頻匹配的單管進(jìn)行了對比，通過對比結(jié)過可以看出，利用本文提出方法設(shè)計(jì)單管支持信號帶寬比傳統(tǒng)匹配方式單管寬120MHz左右，效果非常明顯；驗(yàn)證了方法有效性后，本文又利用該單管設(shè)計(jì)了面向5G應(yīng)用的高效率寬帶Doherty系統(tǒng)，在滿足3.3GHz～3.8GHz帶寬飽和功率大于60W的同時(shí)，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(shè)備的通信帶寬和速率，提升用戶體驗(yàn)，并且滿足多運(yùn)營商使用，做到真正的共建共享，綠色節(jié)能。

作者單位：劉江濤? ? 京信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)股份有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[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(shù)研究[J].信息通信，2017（09）：13-14.