如何设计射频功率放大器模块

2019-07-08 05:32:00 来源:电子发烧友网
标签:

 

随着现代数字移动通信技术的蓬勃发展,用户对无线通信设备的性能要求越来越高,实现在各种环境中的稳定、高速的数据传输是未来移动通信系统研究者的主要目标之一。射频功率放大器是发射机的末级,它将已调制的频带信号放大到所需要的功率,保证在覆盖区域内的接收机可以收到满意的信号电平,但不能过于干扰相邻信道的通信,同时又要尽量地保持放大后的大功率信号不失真畸变。这些不同方面的要求使得功率放大器的设计者要面面俱到地考虑到很多指标的平衡,功率放大器的设计也成为无线通信系统设计过程中的关键步骤之一。 
 
基本概念 
射频功率放大器(RF PA)是发射系统中的主要部分,其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大(缓冲级、中间放大级、末级功率放大级)获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率,必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后,射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率,经匹配网络,再由天线发射出去。 
 
放大器的功能,即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容,我们称之为“信号”,往往表示为电压或功率。对于放大器这样一个“系统”来说,它的“贡 献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平,并向外界“输出”。如果放大器能够有好的性能,那么它就可以贡献更多,这才体现出它自身的“价值”。如果放大器存在着一定的问题,那么在开始工作或者工作了一段时间之后,不但不能再提供任 何“贡献”,反而有可能出现一些不期然的“震荡”,这种“震荡”对于外界还是放大器自身,都是灾难性的。 
 
射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率,如何提高输出功率和效率,是射频功率放大器设计目标的核心。通常在射频功率放大器中,可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波,实现不失真放大。除此之外,输出中的谐波分量还应该尽可能地小,以避免对其他频道产生干扰。
 
射频功率放大器模块的设计与实现
功率放大器设计中的两个重要问题 
电路设计中的电磁兼容(EMC)措施 
 
射频电路工作在很高的频率上,在元件引脚或者电路引线上会产生一定的寄生参量。而射频功率放大器中,在高功率、大电流的环境下,寄生参量对于系统的影响大大增加,另外,引线电感及走线电感等又是引起高频辐射干扰的重要因素,这些功率不小的电磁干扰(EMI)可能会使功率放大器本身、电源部分或者系统的其他部分的性能大幅下降,很多情况下会直接影响系统的多项主要指标。 
 
为了尽可能减小电磁干扰的影响,需要在电路设计及PCB设计中采取电磁兼容(EMC)措施,这样做也能有效地减少后期调试工作量,增加产品的可靠性和一致性,提高产品性能。 
 
我们在工程中采取的措施主要有:电源线应尽量粗,器件电源或偏置网络都应该多加去耦电容和扼流电感,并选用高频性能好的器件,从而增加电源的稳定性,减少电源波动对于器件的影响;PCB设计要合理布局,功率放大器部分应该与其他低功率或者数字部分尽量远离,并在中间加装金属隔条、屏蔽罩或微波吸附材料,避免功率放大器与其他部分的相互辐射干扰;PCB设计中,在无元件、线路经过的位置多加保护地,并多加金属化通孔造成多点接地;射频走线尽量短,严格控制线头、引脚长度,匹配网络应尽量靠近需要匹配的器件,等等。实践证明,这些措施都能够很好地减少电磁干扰,改善电路性能。 
 
功率放大器的线性化 
线性度是射频功率放大器的一个非常重要的指标,在移动通信设备中,功率放大器的非线性失真往往会造成信号畸变失真以及引起邻道干扰。所以,移动通信设备对功率放大器的线性度提出了很高的要求。 
 
功率放大器非线性失真特性主要有两种:第一种为非线性的增益特性,即输出信号与输入信号的功率之间不是线性关系,对应于单频信号的输入,将会产生谐波失真;而对于双频信号的输入,除谐波外,还会产生交调分量,引起交调失真;另一种为非线性的相移特性,即输入输出的相位差随功率不同而改变,结果会产生调幅/调相(AM/PM)效应。这两种非线性对于采用非恒包络调制方式的数字移动通信系统,不但会产生带内失真,还会产生带外频率扩展,引起对邻近信道的干扰。 
 
一般对功率放大器的线性度的衡量有谐波抑制度、三阶交调抑制度等指标:当放大器输入载波频率为f0的单频信号时,由于器件的非线性失真,会产生频率为mf0(m为自然数)的谐波,如图1(a)所示,谐波输出功率与基波输出功率之差即为谐波抑制度;当放大器输入频率间隔不大、载波频率分别为f1和f2的信号时,在放大器输出端除了载波频率为f1和f2的信号外,还形成了频率为±mf1±nf2(m、n均为自然数)的交调产物,如图1(b)所示,其中频率为2f1-f2和2f2-f1的两个频率分量功率最大,称为三阶交调产物,三阶交调产物与输出载波的功率之差即为功率放大器的三阶交调抑制度。三阶交调产物频率非常靠近所用的载频f1和f2,一般无法通过滤波等方式消除,只能在放大器的设计过程中加以改善。因此,抑制三阶交调产物,提高三阶交调抑制度是提高功率放大器线性度的重点。 
 
 
目前国内外对于射频功率放大器的线性化技术已经进行了大量的研究工作,研究热点主要集中在前馈法、预失真法、负反馈法等几种新技术上。随着DSP、FPGA等技术的快速发展,这几种功放线性化技术必将逐渐完善、普及而成为未来的发展方向,但由于目前成本和技术的原因,应用尚不广泛,鉴于篇幅在此就不作详述。在实际工程中,功率回退法这种简单有效的技术一直有着十分广泛的应用,下文提到的GSM直放站功率放大器模块就采用了功率回退法来改善线性度。 
 
功率回退法即选用功率较大的放大管作小功率用途,牺牲直流功耗来提高功放的线性度,具体来说就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点向后回退一些,工作在远小于1dB压缩点的功率上,使功率放大器脱离饱和区,进入线性工作区,从而改善放大器的线性度。这种方法的优势在于简单易行,不需要增加任何附加设备,且可靠性高;其缺点是功率放大器的效率因此有所降低,器件成本提高,且对线性度的改善程度也比较有限。因此,在线性度要求很高的场合,完全依靠功率回退是不够的,必须与其他线性化措施结合起来,在线性度要求稍低的应用中,功率回退法是一种较为合适的线性化措施。 
 
GSM直放站功率放大器模块设计实例 
一般在工程中,功率放大器模块的设计工作重点在于匹配网络的设计。考虑指标要求及成本,决定放大级数、每级的增益分配及所采用的器件,之后分别设计每一级的匹配电路、电源、级间匹配等细节,最后用CAD工具仿真、设计印制电路版,是我们通常采取的设计流程。
 
 
 
(2) 根据设计目标,该功率放大器模块整体功率增益为55dB,输出功率为39dBm。一般情况下,多数厂家提供的场效应管设计的放大器增益不超过20dB,常用的集成功率放大芯片的功率增益也在30dB左右,加上设计中应留出的余量,我们决定采用三级放大的结构。 
 
(3) 第一级放大器选用Gali-5单片放大器,Gali系列封装体积小,匹配网络简单方便,可靠性高,器件的线性度很好,它可以提供19dB左右的功率增益;第二级选用MHL9838集成功率放大芯片,该芯片内部集成了匹配网络,因此设计简便,可靠性也非常高,用做推动放大级性能十分理想,该模块可以提供31dB左右的功率增益。 
 
关注与非网微信 ( ee-focus )
限量版产业观察、行业动态、技术大餐每日推荐
享受快时代的精品慢阅读
 

 

继续阅读
通信行业的这70年:不仅仅是电话的进化

1949-2019,中国从一片“废墟”上艰难地站起来,70年披荆斩棘,70年风雨兼程,摇摇晃晃前行中,步子越走越稳,中国终于屹立于世界之林。

GPRS通信介绍和优缺点分析
GPRS通信介绍和优缺点分析

总的来说,GPRS无线通信技术的特点在于:传输速率快,传输距离远,组网简单,但是受基站覆盖范围的限制,在通信条件差的地方信号比较弱,存在通信死角。

最烂的科技产品一览,苹果iTunes用十年诠释烂
最烂的科技产品一览,苹果iTunes用十年诠释烂

“对于人工智能芯片产业来说,仅有好的硬基础是不够的,在硬基础上再做出好的软件,才能做得更好。”在日前举行的“2019中国AI芯片创新者大会”上,中国信息通信研究院云计算与大数据研究所人工智能部副主任王蕴韬强调说。

皇冠上的明珠:射频前端格局解析
皇冠上的明珠:射频前端格局解析

目前, 智能手机支持30多个频段,预计5G时代全球2G/3G/4G/5G网络合计支持的频段将达到91个以上。随着5G普及商用,射频前端的需求量将呈暴发式增长……

从受制于人到艰难十年,中国是如何一步步变身掌局者的?
从受制于人到艰难十年,中国是如何一步步变身掌局者的?

德勤一份5G报告中指出,5G将是未来10年的最大机遇:5G不仅是4G的扩展,而是让几乎任何类型的数十亿设备以及数据的连接和交互成为可能,从而引领消费者、行业和政府,走向生产力和创新的新领域。

更多资讯
5G“东风”起,国产射频产业链是否“万事俱备”?

市场需求放缓,国际贸易环境不稳,多种因素导致2019年全球半导体市场开始下滑。据ICInsights统计,2019年上半年,全球前十五大半导体公司销售额合计同比下降18%,而全球半导体产业总销售额同比下降14%。然而随着5G开启商用化进程,5G基础设施大规模部署,全球迎来5G智能手机换机潮,这些因素会对射频产业带来巨大的拉动作用。

一文读懂FIR滤波器与IIR滤波器
一文读懂FIR滤波器与IIR滤波器

两种滤波器都是数字滤波器。根据冲激响应的不同,将数字滤波器分为有限冲激响应(FIR)滤波器和无限冲激响应(IIR)滤波器。

耐威科技旗下子公司聚能晶源投产氮化镓外延晶圆,国产第三代半导体更进一步?

与非网 9 月 12 日讯,国内又一家第三代半导体材料公司投产氮化镓外延晶圆,第三代半导体在国内发展势头越来越猛。

北京中科汉天下正式更名为北京昂瑞微电子技术有限公司

与非网 9 月 9 日讯,近期,中科汉天下发布公告称,公司名字由“北京中科汉天下电子技术有限公司”变更为“北京昂瑞微电子技术有限公司”。

射频前端元件,国内厂商任重道远

受到禁中限令影响,中国为求提高半导体自主生产比例及加速芯片去美化策略,电信设备商华为于基地台设备中使用的射频元件部分,目前已由原来的美系IDM大厂(如Qorvo等),逐渐转向日系IDM厂或台系制造代工厂为主,以实现去美化政策。