微波功率放大器的线性化设计及实践

陈刚

（中华通信系统有限责任公司河北分公司 河北石家庄 050000）

在新的通信体系结构之中，要想达到最佳的数字传输工作效果，让整个传输的工作质量相对较高，就应当结合现有的技术手段，重新调整不同的工作方式，让传输的信号更加稳定。这种模式下所产生的非线性特点及多样化的工作形式都能对输出的信号进行细致化的传输和工作推进，从而让内部的失真环境下误码情况时有发生，这就让这种失真结构下临波道产生出直接的影响作用。大容量环境下，所有间的微博通信系统本身对于放大线性质量要求较高。因此，其本身对于微博功效下的线性化工作技术推进，已经成为当前时代发展之中的一种具体的无线通信网络技术手段。而前匮法、负反馈法、预失真法等相关的技术操作方式都是常用的显性化技术手段，在高新技术管理之中，若是遗失相关的技术手段，就会使前景下的高新技术受到制约，其本身也具备着较为稳定、高效的工作优势［1］。

1 基于氮化镓芯片的Doherty功放设计理念及重要性

1.1 基于氮化镓芯片的Doherty功放选型原则

微波晶体管已在军工领域和通讯领域起到了重大影响，在3GHz 以下的波段和S 波段基站通讯领域，LDMOS元件在增益、线性率、开关特性、散热特点和减少级数等方面优越性突出。而随着应用频段的增加，砷化镓和氮化镓芯片逐渐了挥发主要功能。砷化镓器件的功率密度能达到1.57W/kg，已超过其材料的物理限制，因此，为了适应更高频大功率微波器件的使用要求，宽禁带将半导体收音机材料作为重点的研发方向，而氮化镓材料和其他半导体材料相比较而言，优越性更加突出，其禁带宽度超过了3.4V，击穿电荷也超过了5×10°V/cm，而且氮化镓晶片的迁移电子速度也较快，并且还可能生成ALGaN/GaN 异质结，由于巨大的自发极化电荷和压电极化电流的因素，ALGaN/GaN 异质结还能生成含量很大的二维电子气，从而达到了很大的峰值电子产品速度和饱和电子产品速度。在高频大功率应用中，氮化镓芯片更富有魅力，因此，本论文设计的高功放设备都选用了氮化镓芯片，主要选用美国Cree 公司的氮化镓功放式CGH55015 芯片，它有法兰形和表贴两个密封型式。

1.2 基于氮化镓芯片的Doherty功放设计原则

（1）研究C频段固态功率放大电路的技术现状，对砷化镓与氮化镓功率放大做了性能指标比较，并选用美国Cree 公司的CGH55015，完成了Doherty 功率放大方案设计，同时，利用ADS仿真软件，完成了输出功率、增益、效率、稳定性等指标模拟，并进行了印制板和盒体工艺设计，完成了技术性指标试验［2］。

（2）通过综合比较了各种功率放大线性化方式，并选用了Scintera公司的射频预失真芯片，成功实现了放大器模拟与变频模式二种射频预失真方式，每一方法均进行了电路的仿真设计和技术性指标试验，检测结果均基本符合指标要求。

（3）使用FPGA 和DSP，实现了数字预失真设计DPD，重点实现了基带集成电路、射频电路、反馈通路等的硬件电路设计过程及FPGA、DSP 软件设计过程，并完成了大量的仿真测试，技术性指标基本达到了工程设计要求。

1.3 基于氮化镓芯片的Doherty功放设计的重要性

在进行Doherty 功率放大集成电路设计技术研究时，对功率放大的静态工作点选取了偏置较深的-2.9V，从而增加了功率放大的饱和状态效率；对匹配电路，不仅进行了常规的基波模拟，还实现了对二次谐波、三级谐波的模拟，从而大大提高了功放输出功率和效能。

在现有的信息结构支持下，要想构建出一种完备的射频预失真电路设计工作，就要使用一定的仿真软件进行各个不同端口的匹配设计模式，这种方式的推进不仅保证了其可操作性，也有效地提升了芯片本身的预失真性，对于变频模式结构下的预失真现象及基础的理论进行研究分析和综合判断。

在全面推动失真技术的分析操作和技术管理过程中，技术人员要对于失真技术操作使用较为高效的环节进行问题的收集整理，实现了对时间、幅度、功率进行分析，从而有效地降低相关模型的精度及复杂度。在进行多样化的技术分析和实验研究过程中，不同的载波效果最终输出的结果和传输的性能也有一定的差异性。将数字预失真电路在点对多点的通信控制系统之中进行优化，增加输出的功率，保证了利用率质量的提升。

2 Doherty功放原理

小信号阶段，辅助功放工作于C级。第二阶段，当输入信号电平逼近于饱和点，从辅助功放变压器开始，随着辅助功放变压器的推挽输出功能，等效负载逐渐从2Zo向Zo方向减小，辅助功放变压器也开始导通，有效负载从开路状态逐渐向Zo方向转变，当主功放达到饱和时，得到饱和输出功率。第三阶段，随着主功率放大器电压和辅助功放变压器输出电流的增加，主功率放大器出口电压恒定，并维持较高效率，负荷也不断下降，当辅助功率放大到达饱和时，所有负荷都变成了Zo，电压到达最大，功率输出也到达了最高［3］。因此，在实际的技术管理和实验分析的背景下，相关的技术人员要选择合适的工作方式和技术参数，优化功放管理质量，通过技术创新和数据分析的方式，提升管理成效，附近各项工作的全面推动。

3 Doherty功放仿真设计

依据Doherty 功放工作原理，实验在下一步进行Doherty 功放的仿真设计。微波系统仿真软件主要选用了Agilent公司的ADS系统（Advanced Design System），仿真设计电路包括偏置集成电路设计技术、稳定性设计、源和负载的牵引设计、输入输出匹配电路设计、AB类功放设计、C类功放设计。

3.1 静态工作点设计

利用ADS 的FETCurve Tracer 模板进行DC 扫描，选择功放管的直流偏置点，得到的漏极曲线，按照CGH55015 的数据手册建议，可以选用漏极工作电流110mA为静态工作电流，由仿真曲线便可得知，此时的栅极偏置电压为2.9V，而漏极电流+28V，则管子的静态功率大约为3.115W。

3.2 稳定性设计

为了提高大功放电路的工作稳定性，就需要对其通过工作稳定性加以模拟，并设计合理的稳压电路。使用S-PARA 仿真扫描，获得功放的稳定因子K，得到电路和扫描检查结果。扫描结果中，CGH55015 的高频震荡发生在10.5GHz 之上，而低频震荡则发生在4GHz 之下，而由于需要调整功放全频段内的绝对平衡，因此，需要利用稳压电路调整功率放大后的绝对稳定因子，使之在全频段内的K值等于1。本文通过采用在栅极的输入端口并联电阻或在栅压偏置电路中并联电阻的方式，改善了功率放大的稳定性，得到并联电阻的稳定性仿真结果，结果说明，在全频段内，稳定性因子均高于1，从而实现了设计目的。只有实现电路的稳定设计，才能够保证功放的效率趋于平稳，这样就能够提供良好的工作前提。因此，本文所选择的电阻设计阻值较大，以达到稳定电路的目的，同时，在之后的测试阶段当中，如果功放未激活，则可以逐步减小阻值［4］。

3.3 源和负载牵引设计

当稳定电路确认，就可以进一步设计功放源及相应的负载牵引，从而达到考察输入端基波阻抗的目的，分析输出端基波阻抗二次、输出端基波阻抗三次谐波分量对于功放效率所产生的影响，得到仿真电路的结果，从而促进迭代仿真的形成，得到在55.47%最大功率之下的阻抗值。

3.4 输入输出匹配电路设计

在当前的市场环境之中，要充分认识到康匹配网络的设计工作本身就是微波功率放大器工作的主要设计过程，其中所包含的不同匹配电路设计对后期的工作有着较为直接的影响。若是配合的集成电路本身产品设计选择事物，就会导致电路内部振动产生问题，集成电路本身的稳定性降低，功放非线性的实际失真效果凸显，直接对功放质量产生冲击。在多数的环境下，若是放大器的源头与负载多数都有一个相同的数据变化，在设计的一端的大小也会与之相同，而另一端电阻则会呈现出复数增加的趋势。当放大集成电路的输入桩呈现出不同的形态时，可以通过并联点对匹配的电路进行优化。这个过程中，所有工作的规范相对较为合理，若不能按照匹配的基础要求进行工作，就会导致多种设计效果出现问题，同时，很多工艺设计的实际难度也会增大。在放大器的长度在要求的基础上，只能选择一个较短的阻抗实现网络环境的变换。设计输入、输出本身的匹配电路，要着重对于工作的特点和质量进行分析，同时，也要满足节能的技术指标要求。

在实现大负载牵引的环境下，对于整个操作环境出现的直接的影响就是波阻抗及第二次的谐波，对于后期所产生的谐波影像能力则会较弱，为此，在完成相关的匹配线路分析的过程中，必须要保障基波及第二次谐波的匹配度，之后再实施3 次设计优化。通过不同的设计软件所呈现的模板，设计出满足要求的匹配电路，得到一定的仿真效果，可以使用1/4 薄产的最短线路实现基波完成操作，第二次谐波传输变为墩路的效果。使用一条L 形状的基波完成阻抗匹配，使用同样的方法，可以进行与输入匹配电路的设计［5］。

3.5 AB类功放仿真设计

AB 类功放的仿真设计主要依据相应的输入和输出匹配电路来完成，通过整体的模型来代替电路当中的理想元件模型，并且在其中加入电源滤波单元、T型结及扇形线，从而最终得到一个完整的AB类功放仿真电路。在得到仿真的结果之后，该功放5.6～5.9GHz 频率时，最小信号增益范围在11.8～12.7dB 以上，带内最大波动范围小于1dB，完全时饱和输出功率为42.8dBm，最大漏极效率为65.9%。功率回退6dB 时，总漏极输出功率36.50dBm，漏极利用率为43.2%。

3.6 C类功放设计

按照以上AB型功放的标准流程设计C型功放变压器时，在输出端口串联1/4 波长电阻变换导线，利用该电阻线，使小信号时C类功放变压器为开路状态。由于C型功放式变压器偏置很深，稳定性较好，但是增益较低，因此可以将稳压电流调小，从而改善其增益。在此处可以将稳压电流设为0，而栅极电流则设为-6.4V。

3.7 Doherty 电路仿真设计

按照上文所描述的Doherty功率放大器构造，可以进行对整个Doherty 功率放大器的模拟试验。在试验的过程当中，前端部分增加了微带功分器，这样就可以带入3dB 的插入损耗，从而使得饱和输出功率达到43.83dBm，功放效益能够达到8.8～9.3dB，总体效率在60%之上，从而满足设计的指标要求［6］。

3.8 整体电路及PCB设计

完成整体电路及PCB 设计之时，要先从ADS 里制作仿真版图，接着使用画图工具ProtelDXP进行电路板的绘制，选择板材为Rogers4350，印制板厚为0.76mm，介电常数为3.5，在绘制版图时注意以下几点。（1）偏置电路和电源滤波电路的设计不能影响射频通信。（2）电路板的设计应当兼顾双面设计，在顶层用来绘制微带电路，在底层用来作为接地，从而实现提高微波电路性

能的功用。（3）利用螺钉来固定印制板，并且注重各个接地点都保持就近接地原则，得到绘制完成的PCB，然后，再按照集成电路板宽度和功率放大固定孔的位置加工盒体。由于盒体使用了铝材加工，所以盒体的宽窄对微波放大器影响较大，长度约需相当于放大电路工作波段的一半波长，如果不满足上述条件，就会在盒体形成波导式传输，在微带线的跳变点、开路端形成微波辐射，会产生放大集成电路带内增益的均匀率变差，还会产生自激振荡式，最后把印制板装入加工好的盒体内，完成完整的Doherty功放设计。

4 结语

本文首先研究了功率放大线性化的研究原则和重要性，对其相关选型原则、设计原则进行了总结剖析。其次，阐述了公司微波功率放大器的基本技术指标和非线性特点，并按照公司项目使用条件，利用氮化镓芯片，设计了一种C 频段的Doherty 功率放大器，该放大器有较高的输出功率和工作效率，但氮化镓功放有超高迁移率，因此线性较差，如果使用于OFDM、64QAM等对线性要求较高的场合，则需要对它进行线性化处理。本文通过射频失真和数字预失真两个方法对该功放系统进行了线性化设计，对Doherty功放仿真进行了详尽的电路设计、方案设计和指标试验，从而达到了工程设计目标和全机的使用条件。