50W寬帶線性射頻功放設(shè)計(jì)

1、50W寬帶線性射頻功放設(shè)計(jì)寬帶線性射頻功放設(shè)計(jì)225MHz512MHz一、一、OFDM系統(tǒng)對(duì)射頻功放的要求系統(tǒng)對(duì)射頻功放的要求l隨著現(xiàn)代無線通信的迅猛發(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

2、(BER)增大。帶寬大子載波數(shù)目多的信號(hào)其帶寬大子載波數(shù)目多的信號(hào)其PAPR大，大，受到非線性功放的影響也大受到非線性功放的影響也大0246810121410-610-510-410-310-210-1100PAPR0(dB)互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)以符號(hào)為單位的CCDF曲線 帶寬500kHz帶寬1.2MHz帶寬6MHz圖圖1.1給出不同帶寬條件下，發(fā)射信號(hào)峰均比的給出不同帶寬條件下，發(fā)射信號(hào)峰均比的CCDF曲線曲線帶寬越大的信號(hào)其帶寬越大的信號(hào)其PAPR越大，對(duì)功放線越大，對(duì)功放線性要求越高性要求越高6MHz帶寬的條件下帶寬的條件下PAPR大于大于10dB的概率是的概率是4*10-21.

3、2MHz帶寬的條件下帶寬的條件下PAPR大于大于10dB的概率是的概率是10-2500KHz帶寬的條件下帶寬的條件下PAPR大于大于10dB的概率是的概率是3*10-3二、功放線性化技術(shù)二、功放線性化技術(shù)l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)化成了熱量而沒有得到利用。二、功放線性化技術(shù)二、功放線性化技術(shù)l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

4、數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，可以通過使發(fā)射信號(hào)預(yù)失真來滿足頻譜要求，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)失真數(shù)字預(yù)失真三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況lTI公司的預(yù)失真器GC5325、GC5322分別把ACLR改善203

5、0dB、20dB以上，輸入信號(hào)帶寬可達(dá)20MHzGC5322/5 Digital Pre-Distortion SystemGC5325EVM Block DiagramWCDMA 1111 Spectral Performance at 2.14GHz and 48.9dBm三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況lPMC-Sierra公司的預(yù)失真器PM7800 PALADIN 10、PM7815 PALADIN 15與前饋方案相比頻譜功率的效率可提高50%以上 PALADIN 15 MCPA-EQUIPPED WCDMA BTS三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情

6、況lIntersil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)20MHz CLOSED-LOOP DIGITAL PREDISTORTION USING THE ISL5239PREDISTORTION PERFORMANCE三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況lOptichron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, Envelope Tracking等）以及晶體管架構(gòu)(LDMOS, GaS, GaN等)，ACPR改善達(dá)3040dB。Optichron公司是一個(gè)專門做功放線性化的小公司， Optich

7、ron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NetLogic Microsystems公司收購，隨后9月份Broadcom公司又收購了NetLogic Microsystems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%。Simplified block diagram of the OP6180-DEVSOP6180-DEV development platform1.88 GHz DPD correcti

8、on三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況三、功放線性化技術(shù)應(yīng)用情況l賽靈思與Analog Devices 公司合作，開發(fā)了高性能的多模無線演示平臺(tái)，來演示帶有第三方功率放大器、可在各種頻率和任意無線接口上運(yùn)行的DPD 解決方案。Xilinx ML605 電路板和Analog Devices 的混合信號(hào)數(shù)字預(yù)失真（MSDPD）電路板通過兩塊電路板上的FMC 接頭連接起來。Xilinx ML605 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Analog Devices 公司MSDPD 板上的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和RF 信號(hào)鏈路。 FPGAAD/DAAD-MSDPD-EVB

9、Block DiagramFPGAAD/DA方案主要廠家方案主要廠家l中興、華為、芯通、普天、云海l北郵：牛凱教授（普天、云海合作）l成電：何松柏教授（華為合作）l寧大：劉太君教授（安捷倫合作）l芯通（交大合作）中興降耗主要措施中興降耗主要措施l自主開發(fā)了高效率Doherty PA和DPD線性化技術(shù)l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l智能OFDM符號(hào)關(guān)斷技術(shù)：當(dāng)沒有基帶數(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)射頻實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)寧波大學(xué)實(shí)地測(cè)試頻率寧波大學(xué)實(shí)地測(cè)試頻率

10、470MHz功率功率20WDoherty功放的結(jié)果：功放的結(jié)果：Scintera公司模擬預(yù)失真方案公司模擬預(yù)失真方案SC1894 System Block DiagramScintera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、簡單易用。NXP BLF6G27-150P測(cè)試效果測(cè)試效果我們?cè)O(shè)計(jì)的功放在我們?cè)O(shè)計(jì)的功放在SC1887平臺(tái)測(cè)試情況平臺(tái)測(cè)試情況l中心頻率700MHzl信號(hào)帶寬3.84MHzl輸出37dBm，ACLR改善10dB

11、l輸出40dBm， ACLR無改善l雙音間隔1MHz、4MHz輸出37dBm改善20dB，間隔1MHz以下或輸出40dBm均無改善四、功放模塊設(shè)計(jì)四、功放模塊設(shè)計(jì)l整個(gè)功放模塊主要由六（七）部分組成l開關(guān)衰減單元l功放單元l濾波器單元（外購）l耦合檢波單元lCPU控制單元l電源單元（外購）l（模擬預(yù)失真單元）四、功放模塊設(shè)計(jì)四、功放模塊設(shè)計(jì)五、主要設(shè)計(jì)指標(biāo)五、主要設(shè)計(jì)指標(biāo)l工作頻率225MHz512MHzl輸出功率50W（47dBm）l輸入信號(hào)0dBml其他濾波器單元濾波器單元性 能 參 數(shù)一路二路截止頻率340MHZ516MHZ通帶頻率221MHz-340MHz340MHz-516MHz帶內(nèi)

12、插損1.0dB（221MHz-340MHz）1.0dB（340MHz-516MHz）阻帶抑制442MHz50dBc，480MHz60dBc680MHz50dBc，710MHz60dBc帶內(nèi)駐波1.3（221MHz-340MHz）1.3（340MHz-516MHz）隔離60dB開關(guān)時(shí)間10s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）電源單元電源單元輸入輸出電壓偏差28V20V31.5V+100V-5V+50V-0.5V+5V+0.2V+12V-1V-5V-0.2V電流0.05A20A10A1.25A0.5A紋波

13、（mV）5025252525尖脈沖（mV）100100505050保護(hù)輸入電壓保護(hù)過載保護(hù)輸出限流保護(hù)輸出限流保護(hù)過載保護(hù)過載保護(hù)轉(zhuǎn)換效率80%開關(guān)頻率200kHz300kHz隔離電壓500V工作溫度-45+70貯存溫度-50+85封裝300*150*80mm功放單元功放單元增益增益lG47047dBl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、工作頻率1、工作頻段225512MHz2、寬

14、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：QRp/XpQ值越小，功放管的帶寬應(yīng)用越寬B、1dB壓縮點(diǎn)功率壓縮點(diǎn)功率輸出50W濾波器插損OFDM信號(hào)線性度（峰均比PAR10dB）設(shè)計(jì)冗余500WC、增益、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射頻功率管器件考慮因數(shù)：采購射頻功率管器件考慮因數(shù)：A、性能B、價(jià)格C、采購周期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、初步選擇推動(dòng)級(jí)、主放大級(jí)功放管管l推動(dòng)級(jí)Freescale：MW6S004NT1、MRFE6VS25LR5l主放大Freescale：MRFE6VP5600HR6七、功放管的仿真七、功放

15、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225512MHz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、用ADS進(jìn)行仿真進(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、傳輸線變壓器的使用l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)

16、當(dāng)中，一般端口的阻抗都為50 ，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。l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、靜態(tài)工作點(diǎn)的確定l首先確定功放管的工作狀態(tài)l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、穩(wěn)定性仿真l放大器的穩(wěn)定系數(shù)K，穩(wěn)定性判據(jù)如下：l其中=|S11S22-S12S21|。當(dāng)K1且0時(shí)，放大器處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；K1， 0即可l若在某些頻率存在不穩(wěn)定，通過在輸入端串聯(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、用負(fù)載牽引的方法匹配輸出、輸入端l是通過不斷改變功放管負(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)值作為輸入阻抗。F、利用匹配