CN102291091B - 一种线性微波功率放大器 - Google Patents

Abstract

线性微波功率放大器，功率放大器包括功率放大单元、接收单元、收发开关、环形器、滤波器和控制管理单元；功率放大单元包括三级级联放大器，先后由ACPM-7886、AP602和MRF21030来构成，利用LDMOS功放芯片的高线性度、高输出；功率放大部分第二级PA2做功放放大的推动级，采用功率回退技术，采用AP602来作为该级的功率放大，工作频段：800～2400MHz；1dB输出功率35.7dBm，在功率回退6～10dB情况下，保持线性特性。

Description

一种线性微波功率放大器

一、技术领域

本发明涉及宽带微波功率放大器，专用于TD-SCDMA微蜂窝通信基站提高线性、扩大通信距离、增强通信稳定性和可靠性的技术手段，用于应急通信系统、武警消防、宽带调试发射机、雷达、电子对抗等专用通信系统。

二、背景技术

随着3G无线通信和专用通信领域新标准新技术的迅速发展，功率放大器作为3G通信基站系统、宽带调试发射机、雷达、电子对抗的核心器件起着越来越重要的作用。它不仅仅是将信号放大以实现远距离的可靠传输，而且对信号的线性度、稳定度和带宽等方面都提出了很高的要求。在设计功率放大器时要根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。线性功率放大器的好坏成为了制约系统发展的瓶颈，如何有效率地、以低成本、高稳定性和可靠性解决功放的线性度和效率问题是一项具有重要意义的课题，因此对于微波功率放大器的研究和设计有着重要意义。

功率放大器通过功率回退技术可以有效的提高线性度，技术简单易实现，不需要任何附属设备，降低了功放设计的成本，是解决功率放大器线性行之有效的方法，普遍应用在3G通信基站系统、应急用通信基站、宽带调试发射机、雷达、电子对抗等方面。

随着3G无线通信和专用通信领域新标准新技术的迅速发展，微波功率放大器作为3G通信基站系统、宽带调试发射机、雷达、电子对抗的核心器件起着越来越重要的作用。它不仅仅是将信号放大以实现远距离的可靠传输，而且对信号的线性度、稳定度和带宽等方面都提出了很高的要求。在设计功率放大器时要根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。线性功率放大器的好坏成为了制约系统发展的瓶颈，如何有效率地、以低成本、高稳定性和可靠性解决功放的线性度和效率问题是一项具有重要意义的课题，因此对于微波功率放大器的研究和设计有着重要意义。

三、发明内容

本发明的目的是：提出一种专用TD-SCDMA微波功放放大器扩设置方法。

本发明技术方案是：TD-SCDMA线性微波功率放大器，该功率放大器包括功率放大单元、接收单元、收发开关、环形器、滤波器和控制管理单元；功率放大单元包括三级放大，先后由ACPM-7886、AP602和MRF21030连接构成。利用LDMOS功放芯片的高线性度、高输出的特点，基于ADS软件，采用负载牵引的设计方法和功率回退的设计思想，完成了大增益、高线性、宽动态和高稳定度的微波功率放大器的设计。该功率放大部分采用功率回退技术，基于三级级联放大的方式，对应于图中的PA1、PA2、PA3；具有较高的功率增益特性、增益动态范围大、调节灵活方便、线性度高等特点。配合控制管理单元、环形器、收发开关、LNA等组成整个微波功率放大器。三级级联线性化放大器中第一级小信号的预放为ACPM7886，工作频段：2010～2025MHz，1dB压缩输出功率28dBm；第二级PA2做功放放大的推动级，采用AP602来作为该级的功率放大，工作频段：800～2400MHz；1dB输出功率可达35.7dBm，在功率回退6～10dB情况下，具有较好的线性特性；末级放大PA3采用MRF21030，增益Gain 15.5dB，频段：2000～2200MHz，输出功率Pout＝30W。本发明采用功率回退技术可以满足良好的线性度。

本发明主要采用高集成LDMOS和功放芯片，成本较低、应用灵活，便于生产和扩展。本发明单元的工作过程是：TD-SCDMA调制信号经射频芯片RDA8207的A/D转换后进行滤波、变频和AGC后、产生一个单载波频率的模拟信号，送至该微波功率放大器进行功率放大，放大后的信号经谐波滤波、环形器后送至宽带天线发射出去。

本发明的有益效果是：本发明特别适合于专用TD-SCDMA通信基站系统、宽带调试发射机、雷达、电子等专用通信网。由于电子设备多，天线布置要求高，系统供电、散热困难，用于应急通信系统、武警消防、宽带调试发射机、雷达、电子对抗等专用通信系统，采用该微波功率放大器后可以大大改善通信效果、可以有效的提高通信系统的可靠性和网络覆盖，有极好的经济效益和应用前景。

功率放大器通过功率回退技术可以有效的提高线性度，技术简单易实现，不需要任何附属设备，降低了功放设计的成本，是解决功率放大器线性行之有效的方法。

四、附图说明：

图1高线性微波功率放大器组成框图

图2I-V曲线图表

图3最佳负载阻抗

图4为1dB压缩特性曲线

图5经谐波滤波后的谐波特

图6输出三阶互调频谱特性性

五、具体实施方式

高线性微波功率放大器组成框图如图1所示：

本发明专用TD-SCDMA微波功放放大器，包括功率放大单元、接收单元、收发开关、环形器、滤波单元和控制管理单元；其特征是功率放大单元中，为了提高设备高线性，采用功率回退处理的设计方案；首先采用Agilent公司的ACPM7886作为放大部分的第一级，做小信号的预放处理，工作频段：2010～2025MHz，1dB压缩输出功率28dBm，具有体积小(4.0×4.0)、效率高(41％)、性能稳定、可靠性高等优点，可以很好实现射频小信号的预放处理。第二级PA2做功放放大的推动级，采用AP602来作为该级的功率放大，该芯片是一个内集成2级PA的GaAs MMIC，工作频段：800～2400MHz；具有良好的线性度，1dB输出功率可达35.7dBm，在功率回退6～10dB情况下，可以保持较高的线性特性。

末级放大PA3采用freescale的mosfets管MRF21030，增益Gain 15.5dB，频段：2000～2200MHz，输出功率Pout＝30W，采用功率回退技术可以满足良好的线性度。

本发明功率放大部分是基于三级级联放大的方式，采用功率回退技术，具有较高的功率增益特性、增益动态范围大、调节灵活方便、线性度高等特点。配合其它电路控制管理单元、环形器、收发开关、LNA等组成整个微波功率放大器。

功率放大单元主要性能指标为(Frequency range)：2010～2025MHz；1dB压缩点输出功率(Output P1dB)为2W；功率增益(Gain)大于40dB；三阶互调失真(IMD3)小于-60dBc；谐波抑制大于50dBc；增益平坦度要求小于0.5dB。

末级功放设计是最关键也是线性化设计最难的，本发明基于ADS设计软件，采用负载牵引的设计方法，来完成该级的设计其主要的设计过程分为：静态工作点设计、基于负载牵引法的共轭匹配设计，基于ADS软件设计的具体内容如下：

静态工作点设计

基于ADS仿真软件中的FET_curve_tracer对MRF21030的Model进行静态工作点仿真设计。

静态工作点仿真时，设置直流偏置电压3.2V～4.5V，考虑到功率放大管在高温条件下增益下降的特性，这个选取工作电压VDS为30V，静态工作电流IDS选取590mA比MRF21030数据手册上大很多，以便获得更好的线性库。从图2选取的IQ静态工作点和交流负在线的I-V曲线特性中可以看出该MRF21030在输出功率30W的条件下处于AB类的工作状态。

基于负载牵引法的共轭匹配设计

为了得到最佳的线性度和较好的效率，使功率放大管在最佳状态下工作，并充分发挥其潜力，所以采用负载牵引特征对MRF21030进行等功率曲线和等效率曲线的扫描，以选择最佳输出阻抗来进行功率放大器设计。

按上述确定好的最佳静态直流工作点设置好电路，然后基于ADS软件中的Load-Pull-PAE，Output Power Contours对该偏置好MRF21030电路模型进行负载牵引的最佳输出阻抗设计。设计仿真频率fs选取2010MHz2025MHz的中间频率2017.5MHz作为仿真频率，仿真后选取最佳的输出阻抗m3如图3最佳负载阻抗图所示。

该MRF21030模型在VDS＝30V，IDS＝590mA静态工作点的条件下，能够得到理想的最大效率PAE为61.13％，最大P1dB输出功率为44.7dBm。综合考虑输出功率、效率和线性度等条件，这里选取Z_L＝23.752+j*0.397作为该MRF21030模型在该静态工作条件下的最佳输出阻抗点(m3点)，并以其共轭作为输出匹配网络设计的阻抗。从图2中可以看出在此输出阻抗处，其效率60.32％和P1dB输出功率44.25dBm都是非常接近理想值的。

采用同样的设计方法，基于ADS软件中的Source-Pull-PAE，Output Power Contours对该偏置好MRF21030电路模型进行负载牵引的最佳输入出阻抗设计，这时需要把按最佳输出阻抗匹配好的输出匹配网络加入到电路中进行仿真。选取得到最佳的输入阻抗点Z_S＝6.961-j*17.589，并以它的共轭作为输入匹配网络设计的参考。得到的输出阻抗和输入阻抗如下表1所示。

表1VDS＝30V，IDS＝590mA的输入输出阻抗

频率(MHz)	输入阻抗(Zsource)	输出阻抗(Zload)
			2017.5	6.961-j*17.589	23.752-j*0.397

整个电路中加入输入和输出匹配网络后，相互之间都存在着影响，需要对整个电路进行优化，来补偿输入匹配网络对对输出网络的影响，以达到最大的功率输出。同时，为了减少匹配传输线因为宽窄不一致带来的不连续性，加入MTaper进行宽带带线的过度连接，并且电路中的电容、电感、电阻器件替换为实际厂家的器件模型，在这个电路中采用的murata的器件模型，尽可能的模拟实际电路的情况来进行电路的优化设计和仿真。

仿真特性：结合第一级PA1和第二级PA2，对整个功率优化后的放大单元做一个系统建模仿真，仿真结果如下，见图41dB压缩特性曲线。

表1功放设计仿真数据

在图4的1dB输出特性曲线中，可以看出P1dB输出功率可达到44.666dBm，已经非常接近理想的最大输出功率值可以满足1dB输出功率30W的要求，在其线性放大区域范围内的增益约为43dB；图5为该功率放大器经谐波低通滤波器BLP后得到的谐波特性，可见其二三次谐波被大大的抑制，二次谐波-110.5dBc，三次谐波-141.2dBc。图6中，输入双音信号频率间隔2MHz，双音信号功率-10.5dBm，仿真得到信号输出功率30.153dBm，电路的三阶互调失真(IMD3)为30.153dB-(-30.726dB)＝60.879dBc，可见该功率放大单元具有很高的线性度，可以满足系统设计的需求，对其进行线性输出功率的提高也有一定的扩展度。

低功耗控制技术

功率放大单元结合接收单元、收发开关、环形器和控制管理单元等组成了整个专用微波功率放大器，采用多通道开关控制方式，在信号发射状态时，关断接收单元的接收通道，可以防止发射信号泄漏到接收通道而引起干扰和信号阻塞；当接收状态时，关断功率放大单元的三级功率放大器的每一级的电源，使功放的静态电流基本为零，彻底关闭了发射通道，防止了脉冲、热噪声等无用信号对外接和接收通道干扰，大大降低了该功放的功耗，提高了功率放大器的接收灵敏度，保证了专用通信设备通信的稳定性和可靠性。

TD-SCDMA调制信号经射频芯片RDA8207的A/D转换后进行滤波、变频和AGC后、产生一个单载波频率的模拟信号，送至该微波功率放大器进行功率放大，放大后的信号经谐波滤波、环形器后送至宽带天线发射出去。该功率放大部分采用功率回退技术，基于三级放大线性化方式，具有较高的功率增益特性、增益动态范围大、调节灵活方便、线性度高等特点。配合其它器件控制管理单元、环形器、收发开关、LNA等组成整个微波功率放大器。

本发明特别适合于专用TD-SCDMA通信基站系统、宽带调试发射机、雷达、电子等专用通信网。由于电子设备多，天线布置要求高，系统供电、散热困难，采用该微波功率放大器后可以大大改善通信效果、扩大专用通信网的网络覆盖，提高系统的可靠性，有极好的经济效益和应用前景。

Claims (2)

1.线性微波功率放大器，功率放大器包括功率放大单元、接收单元、收发开关、环形器、滤波器和控制管理单元；功率放大单元包括三级放大，先后由ACPM7886、AP602和MRF21030连接构成；三级放大为三级级联放大的线性化放大器，其中第一级小信号的预放为ACPM7886，工作频段:2010～2025MHz,1dB压缩输出功率28dBm；其特征是第二级PA2做功放放大的推动级，采用AP602来作为该级的功率放大，工作频段：800～2400MHz；1dB输出功率35.7dBm；末级放大PA3采用MRF21030，增益Gain15.5dB，频段：2000～2200MHz，输出功率Pout=30W。

2.线性微波功率放大器的设置方法，其特征是功率放大器包括功率放大单元、接收单元、收发开关、环形器、滤波器和控制管理单元；功率放大单元包括三级级联放大的放大，先后由ACPM7886、AP602和MRF21030三级放大来构成：三级放大为三级级联放大的线性化放大器，其中第一级小信号的预放为ACPM7886，工作频段:2010～2025MHz,1dB压缩输出功率28dBm；第二级PA2做功放放大的推动级，采用AP602来作为该级的功率放大，工作频段：800～2400MHz；1dB输出功率35.7dBm；末级放大PA3采用MRF21030，增益Gain15.5dB，频段：2000～2200MHz，输出功率Pout=30W；利用LDMOS功放芯片的高线性度、高输出；功率放大部分第二级PA2做功放放大的推动级，采用功率回退技术，采用AP602来作为该级的功率放大，工作频段：800～2400MHz；1dB输出功率35.7dBm，在功率回退6～10dB情况下，保持线性特性；采用多通道开关控制方式，在信号发射状态时，关断接收单元的接收通道，防止发射信号泄漏到接收通道而引起干扰和信号阻塞；当接收状态时，关断功率放大单元的三级功率放大器的每一级的电源，使功放的静态电流基本为零，彻底关闭了发射通道，防止了脉冲、热噪声无用信号对外接和接收通道干扰。