50W宽带线性射频功放设计

50W宽带线性射频功放设计225MHz～512MHz一、OFDM系统对射频功放的要求随着现代无线通信的迅猛发展，各种非恒包络调制方式与多载波技术获得了广泛应用，这些信号具有宽频带和高峰均比(PAR)等特点，要求功率放大器具有很好的线性度，同时功率放大器是整个通信系统中能耗最大的部件，这就又要求其具有尽可能高的效率。在饱和状态下工作时，功率放大器的效率最高，但线性度不佳，非线性会使频谱扩展到信号带宽以外，从而干扰相邻通道，降低邻道泄漏比(ACLR)性能。在信号带宽内，功率放大器非线性也会导致失真增加，从而降低接收机的误差矢量幅度(EVM)性能，使误码率(BER)增大。带宽大子载波数目多的信号其PAPR大，受到非线性功放的影响也大0246810121410-610-510-410-310-210-1100PAPR0(dB)互补累积分布函数(CCDF)以符号为单位的CCDF曲线带宽500kHz带宽1.2MHz带宽6MHz图1.1给出不同带宽条件下，发射信号峰均比的CCDF曲线带宽越大的信号其PAPR越大，对功放线性要求越高6MHz带宽的条件下PAPR大于10dB的概率是4*10-21.2MHz带宽的条件下PAPR大于10dB的概率是10-2500KHz带宽的条件下PAPR大于10dB的概率是3*10-3二、功放线性化技术为了解决线性和效率之间的矛盾，各种功放线性化技术应运而生。方法之一是降低功率放大器的输入信号电平，使其在传递曲线的线性部分工作，但这会导致电源效率不佳，这种方法最简单，但会增加成本；为了实现所需的功率输出，必须使用更大、更昂贵的功率放大器，并且90%以上的直流功率转化成了热量而没有得到利用。二、功放线性化技术数字预失真技术因其成本低、线性度改善效果好等优势而备受关注。利用数字预失真技术，可以通过使发射信号预失真来满足频谱要求，同时让工作在高效率饱和区的功率放大器有效线性化。采用数字预失真技术需要一个反馈接收机，通过其对功率放大器输出的耦合信号进行下变频处理，然后与发射波形的数字信号相比较，由自适应算法计算或更新一系列参数，以便预加到下一个发射波形上。当自适应算法收敛时，功率放大器即使工作于非线性部分，发射机输出也实现了线性化。数字预失真技术可将发射机效率从10%以下提高到35%以上，具体取决于所用的算法和功率放大器类型。数字预失真三、功放线性化技术应用情况TI公司的预失真器GC5325、GC5322分别把ACLR改善20～30dB、20dB以上，输入信号带宽可达20MHzGC5322/5DigitalPre-DistortionSystemGC5325EVMBlockDiagramWCDMA'1111'SpectralPerformanceat2.14GHzand48.9dBm三、功放线性化技术应用情况PMC-Sierra公司的预失真器PM7800PALADIN10、PM7815PALADIN15与前馈方案相比频谱功率的效率可提高50%以上PALADIN15MCPA-EQUIPPEDWCDMABTS三、功放线性化技术应用情况Intersil公司的预失真器ISL5239基于双查找表，其输入信号带宽可达20MHzCLOSED-LOOPDIGITALPREDISTORTIONUSINGTHEISL5239PREDISTORTIONPERFORMANCE三、功放线性化技术应用情况Optichron公司的预失真器OP6180能自适应任何制式的信号组合、支持任何PA技术（AB,Doherty,EnvelopeTracking等）以及晶体管架构(LDMOS,GaS,GaN等)，ACPR改善达30～40dB。Optichron公司是一个专门做功放线性化的小公司，Optichron公司的预失真芯片只有两个系列OP4400和OP6180，但是性能非常出色，敢称业界最好。因在数字预失真技术领域的领导者地位，这家公司于2011年3月被NetLogicMicrosystems公司收购，随后9月份Broadcom公司又收购了NetLogicMicrosystems公司，便推出了最新版本的预失真芯片BCM51030，比传统DPD技术提供高10倍的带宽，使单个PA的功耗降低20-50%。SimplifiedblockdiagramoftheOP6180-DEVSOP6180-DEVdevelopmentplatform1.88GHzDPDcorrection三、功放线性化技术应用情况赛灵思与AnalogDevices公司合作，开发了高性能的多模无线演示平台，来演示带有第三方功率放大器、可在各种频率和任意无线接口上运行的DPD解决方案。XilinxML605电路板和AnalogDevices的混合信号数字预失真（MSDPD）电路板通过两块电路板上的FMC接头连接起来。XilinxML605上实施了具有DUC、DDC、CFR和DPD功能的高级信号处理应用，充分利用了AnalogDevices公司MSDPD板上的高性能数据转换器和RF信号链路。FPGA＋AD/DAAD-MSDPD-EVBBlockDiagramFPGA＋AD/DA方案主要厂家中兴、华为、芯通、普天、云海……北邮：牛凯教授（普天、云海合作）成电：何松柏教授（华为合作）宁大：刘太君教授（安捷伦合作）芯通（交大合作）中兴降耗主要措施自主开发了高效率DohertyPA和DPD线性化技术动态功放电压调节技术：让功放的电压自动适应业务负载，根据输出功率动态调整。当输出功率比较低时，功放电压就被设置为低于其最大输出功率电压智能OFDM符号关断技术：当没有基带数据传输时，OFDM符号就自动关断宁波大学射频实验室测试平台宁波大学实地测试频率470MHz功率20WDoherty功放的结果：Scintera公司模拟预失真方案SC1894SystemBlockDiagramScintera是一家致力于射频预失真解决方案的公司，其研发设计的系列芯片可有效提升射频功率放大器的线性。Scintera提供可编程的模拟信号处理平台，与传统的数字信号处理解决方案DPD相比，该平台的能耗更低、成本更低、简单易用。NXPBLF6G27-150P测试效果我们设计的功放在SC1887平台测试情况中心频率700MHz信号带宽3.84MHz输出37dBm，ACLR改善10dB输出40dBm，ACLR无改善双音间隔1MHz、4MHz输出37dBm改善20dB，间隔1MHz以下或输出40dBm均无改善四、功放模块设计整个功放模块主要由六（七）部分组成开关衰减单元功放单元滤波器单元（外购）耦合检波单元CPU控制单元电源单元（外购）（模拟预失真单元）四、功放模块设计开关衰减单元滤波器单元功放单元CPU控制单元电源单元耦合检波单元五、主要设计指标工作频率225MHz～512MHz输出功率50W（47dBm）输入信号0dBm其他滤波器单元性能参数一路二路截止频率340MHZ516MHZ通带频率221MHz-340MHz340MHz-516MHz带内插损≤1.0dB（221MHz-340MHz）≤1.0dB（340MHz-516MHz）阻带抑制442MHz≥50dBc，480MHz≥60dBc680MHz≥50dBc，710MHz≥60dBc带内驻波≤1.3（221MHz-340MHz）≤1.3（340MHz-516MHz）隔离≥60dB开关时间≤10μs功率150W工作温度-45℃～+70℃贮存温度-50℃～+70℃（高温存储48小时，低温24小时）封装大约230*50*20mm（越小越好）电源单元输入输出电压偏差28V20V～31.5V+100V-5V+50V-0.5V+5V+0.2V+12V-1V-5V-0.2V电流0.05A20A10A1.25A0.5A纹波（mV）5025252525尖脉冲（mV）100100505050保护输入电压保护过载保护输出限流保护输出限流保护过载保护过载保护转换效率≥80%开关频率200kHz~300kHz隔离电压500V工作温度-45℃～+70℃贮存温度-50℃～+85℃封装300*150*80mm功放单元MRFE6VS25LR5G=18dB最大输出25WDAT-31R5-PP+L=1.3dB31.5dB,0.5dBStep推动级放大微带线结合电容匹配网络T1:9同轴电缆阻抗变换特性阻抗Zo=17T9:1同轴电缆阻抗变换特性阻抗Zo=17微带线结合电容匹配网络匹配网络主放大微带线结合电容匹配网络T1:9同轴电缆阻抗变换特性阻抗Zo=17T9:1同轴电缆阻抗变换特性阻抗Zo=17微带线结合电容匹配网络大功率低通滤波器组微带线耦合器ADL5519到天线RFinRFout0dBm47dBm前向检波反向检波CPURS485温度检测数控衰减器放大MW6S004NT1G=18dB最大输出4W增益G＝47－0＝47dB三级放大按照目前该频段的器件水平，一个功放管难于做到，所以采用三级放大，为保证线性度与效率的兼顾，推动级工作于A类，主放大工作于AB类六、主要器件的选型1、50W功率管的选择：A、工作频率B、1dB压缩点功率C、增益A、工作频率1、工作频段225～512MHz2、宽带功放射频功放管如何判断是否适合应用于宽带场合？输入特性参数Q：Q＝Rp/XpQ值越小，功放管的带宽应用越宽B、1dB压缩点功率输出50W滤波器插损OFDM信号线性度（峰均比PAR＝10dB）设计冗余500WC、增益电路的调试和复杂度采用三级放大，增益较高更易做到采购射频功率管器件考虑因数：A、性能B、价格C、采购周期D、禁运E、技术支持2、初步选择推动级、主放大级功放管推动级Freescale：MW6S004NT1、MRFE6VS25LR5主放大Freescale：MRFE6VP5600HR6七、功放管的仿真1、仿真的目的A、采用不同的电路结构验证所选用的功放管是否合适？能否在225～512MHz内正常工作，包括稳定性、增益平坦度、输入输出驻波比、三阶互调等指标都在允许的范围内否或者能达到什么样的理论水平？B、为调试提供趋势性参考，比如栅极、漏级电压对电路性能的影响，改变匹配器件的值对各种指标的影响等。C、在选型确定的情况下完成匹配设计2、用ADS进行仿真A、大信号与小信号的区别描述阻抗特性的各参数受到工作频率、输入电平、输出端的负载阻抗、电源电压、偏置以及温度等的影响。B、传输线变压器的使用通常功放管的功率越大，输入输出阻抗越小，在宽频带功率放大器的设计当中，一般端口的阻抗都为50Ω，而功放管的输入输出阻抗都是很小的，所以在用同轴电缆进行宽带匹配的时候对传输线进行不同的绕法可以得到不同比值的阻抗变换。在实际的使用当中，经常用到的同轴电缆变压器有：4:1阻抗变换、9:1阻抗变换和平衡不平衡变换。改变同轴电缆的绕法和连接方式还可以得到其他特殊比值的阻抗变化器。C、静态工作点的确定首先确定功放管的工作状态然后按照数据手册上给出的Ids值，仿真出栅极电压D、稳定性仿真放大器的稳定系数K，稳定性判据如下：其中△=|S11S22-S12S21|。当K1且△0时，放大器处于绝对稳定状态；K1，电路则潜在不稳定。满足K1，△0即可若在某些频率存在不稳定，通过在输入端串联小电阻等方法，再进行仿真，直到在工作频段满足要求即可E、用负载牵引的方法匹配输出、输入端是通过不断改变功放管负载阻抗，测试功放的输出功率和效率。在最大输出功率和最大效率之间取一个阻抗值作为输出阻抗。同理，改变源阻抗，在最大输出功率和最大效率之间取一个值作为输入阻抗。F、利用匹配好的电路进行性能仿真增益平坦度输入输出驻波比三阶互调加上电源线及滤波电容，各个匹配网络代入实际元件值，再反复优化仿真，直到满足性能要求八、模拟预失真模块SC1894EvaluationBoards可以购买SC1894-EVK200演示版，经过反复试验，看是否可以提高功放的效率（目前已研制功放模块上