可重构多波段射频功率放大器设计

徐 谦，刘太君，叶 焱，郭晓锋，李瑞阳

（宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波315211）

0 引言

随着4G通信商用脚步的开始，未来相当长的一段时间内，多种制式的通信系统将共存，底层的通信设备将面临巨大考验。能够适应不同制式，自由工作在不同频段的多波段、多模式[1]射频功率放大器在未来会有很大的前景。国内外研究学者在多波段器件方面的研究成果给多波段射频功放的研究带来了一定的推动力。最近几年，相继有学者在多波段射频功放领域发表研究成果，但可重构多波段[2]射频功放的研究还是寥寥无几。

多波段射频功率放大器设计的主要方法有超宽带功放[3]、并发多波段功放[4]和可重构多波段功放。可重构多波段功放和前2种功放的主要区别在于其可重构性和灵活性，它在不同的几个频段之间，可以根据外部的控制信号来切换。日后再辅以输入信号检测电路，完全可以达到“智能功放”的特点，自动切换功放的工作状态，达到真正的频率高效利用。

1 设计思路

可重构多波段功放的主要设计思路就是利用可重构器件来实现功放工作状态的配置。开关是常用的可重构器件，但一般低频电路中的开关因为其插损和频率特性，并不适合用于射频电路。PIN二极管[5]的单向导通特性可以实现开关的特性，相比较MEMS[6]开关具有成本低、电路简单的特点。利用该特性来改变功放匹配网络的结构，实现功放在不同工作频点间工作。

可重构多波段功放的设计框图如图1所示。图中通过开关的控制，选择参与匹配的电容，实现匹配网络1和匹配网络2之间的切换。基于该设计思路，在匹配网络设计时可以拓展电路结构，增加参与匹配的器件，最终通过开关控制可以达到多波段切换工作的目的。

图1 可重构多波段功放设计框图

2 可重构器件设计

可重构器件即通过外部控制信号，切换其不同工作特性及状态的器件，例如开关和可变电容[7]等。现成的射频开关芯片由于其封装的尺寸和特性，在功放设计中不具有灵活性。PIN二极管具有插损小、频段宽的特点，可用于射频开关电路设计。

2.1 PIN二极管开关仿真

选用Skyworks的SMP1345－079LF型号PIN二极管，该二极管插损小，等效电容小，并有多种封装形式，可以实现单刀单置和单刀多置开关。PIN二极管要实现开关的功能，需要合理地设计偏置电路，使其能够良好地实现“开”和“关”的状态。偏置电路的作用除了提供直流供电外，还需要扼制交流信号。而且，开关直接加在匹配网络中，要和功放自身的偏置电路隔绝开，控制电压的变化不能影响功放本身的静态工作点。利用PIN二极管设计的开关电路如图2所示。

图2 PIN二极管开关原理

该设计中偏置网络加在匹配电容和PIN二极管之间，既保证匹配电容隔绝开关直流电流，又使交流信号能够通过匹配电容和PIN二极管到地。

在先进设计系统（Advanced Design System，ADS）仿真软件中通过仿真开关2个端口的S参数，可以测试出特性。仿真得到的S21曲线如图3所示，即开关的插损特性。

图3 开关仿真特性曲线

从图3中可以很直观地了解到设计的开关在“开”与“关”2个状态下的巨大差别，在很宽频段内都有10dB以上的隔离度。

2.2 PIN二极管开关测试

根据仿真设计原理图，在实际PCB板上利用实际的电容、电阻和PIN二极管芯片搭建测试电路。实际的测试电路如图4所示，通过PIN二极管构成的开关来控制电路的导通与否。

图4 PIN二极管实测电路

实际测得的曲线如图5所示。

图5 PIN二极管开关实测曲线

从图5中的曲线可以看出，“开”和“关”状态之间的插损相差15dB，保证了有效的隔离度。从频率特性来看，S11＜－10dB以下的带宽可以达到100MHz以上，完全满足单个频段工作带宽需求。

3 多波段射频功放设计

在功放匹配电路中应用可重构器件，实现不同匹配网络之间的切换，就能达到功放在不同工作频段点间的配置。

匹配网络主要由微带、电容和电感组成，由于微带的可操作性差，因此可以利用开关来控制匹配电容的接入。这样不仅可以保证匹配网络的简化，也能减少开关对匹配网络的影响。设计匹配网络时，首先要保证不同频段匹配网络之间微带电路的一致，使其结构差异仅体现在参与匹配的电容。为实现多个频段之间超宽频的跨度，选择功放管时可以选择宽带特性的GaN，其输出匹配电路可以利用宽带匹配技术[8]，在一个匹配电路内覆盖整个频段跨度。功放的整体设计框架如图6所示。在输入匹配网络中，通过几个PIN二极管开关的组合，可以达到多个匹配网络的效果，实现几个频段的切换。

图6 可重构多波段功放设计框架

在设计时，选择1750MHz、2100MHz和2600MHz这个3个中心频点，覆盖了目前常用的一些频段，也突破了目前LDMOS管子的最大工作频段跨度。这3个频段也代表了未来3G和4G[9]商用的几个典型频段，包含了TDD和FDD[10]这2种制式。晶体管选用CREE公司型号CGH40010的GaN管子。在ADS中设计完成的功放电路原理图如图7所示。

图7 可重构多波段功放仿真电路图

4 测试结果

在实际制板中，采用Rogers4350B板材，板厚0.762mm，介电常数3.66，敷铜厚度25um。实际制作调试完成的功放电路图如图8所示。在功放输出端，宽带匹配技术结合GaN管子的宽带特性，在一个匹配电路中完成了3个频段的整体覆盖，保证功放在不同频点都有良好的输出特性。在输入匹配电路中引入了2个开关电路，控制匹配电容的接入。2个开关可以实现4种组合，满足设计需要的3个频段之间的切换，减少了开关数量。在实际调试当中，开关的减少也避免了开关电路对匹配网络的进一步影响。

图8 功放实际测试电路图

开关1和开关2通过外部电压控制，使功放在模式1（2600MHz）、模式2（2100MHz）和模式3（1710MHz）之间切换工作。模式1状态下功放的小信号测试曲线如图9所示。此时开关1和开关2都处于“关”状态。从图9中的S参数可以看到，功放在1700～2650MHz频段内有14～16dB增益。且模式1下，功放在2600MHz频段附近具有良好的S参数特性。

图9 模式1状态下功放实测曲线

当开关1“关”、开关2“开”时，功放切换到模式2。模式2下的功放测试曲线如图10所示。此时功放在1800～2200MHz频段内有良好的宽带特性，增益平坦度也保证在1dB以内，并且S11都在－10dB以下。

图10 模式2状态下功放实测曲线

当开关1“开”、开关2“关”时，功放切换到模式3。模式3的测试情况如图11所示，在1700～1800MHz频段内，功放S11＜－11dB，增益波动范围达到0.7dB。

图11 模式3状态下功放实测曲线

5 结束语

实际测试结果表明，基于PIN二极管开关的可重构多波段功放的设计方法具有相当的可行性。实际调试发现，PIN二极管开关电路具有简单的电路结构，性能稳定，多个PIN二极管开关的组合，可以为今后更多频段之间的切换提供便利。该设计方法较其他的方案来说，具有结构简单、调试方便和易于扩展的特点，在未来进一步结合宽带功放设计以后，会具有更大的应用前景。

[1]NEO W C E，LIN Y，LIU X D，et al.Adaptive Multiband Multi-mode Power Amplifier Using Integrated Varactor-based Tunable Matching Networks[J].Solid-State Circuits，IEEE Journal，2006，41（9）:2166－2176.

[2]FUKUDA A，FURUTA T，OKAZAKI H，et al.A 0.9-5-GHz Wide-range 1W-Class Reconfigurable Power Amplifier Employing RF-MEMS Switches[C]//Microwave Symposium Digest（MTT），2006 IEEE MTT-S International，2006:1859－1862.

[3]WU D Y T，MKADEM F，BOUMAIZA S.Design of a Broadband and Highly Efficient 45W GaN Power Amplifier via Simplified Real Frequency Technique[C]//Microwave Symposium Digest（MTT），2010 IEEE MTT-S International，2010:1090－1093.

[4]WANG Z，PARK C W.Concurrent tri-band GaN HEMT Power Amplifier Using Resonators in both Input and Output Matching Network[C]//Wireless and Microwave Technology Conference（WAMICON），2012 IEEE 13th Annual，2012:1－4.

[5]PARK J C，YOOK J G，Kim Y D，et al.Dual-band Switching Doherty Power Amplifier Using Phase Shifter Composed of PIN Diode[C]//Microwave Integrated Circuits Conference（EuMIC），2011 European.IEEE，2011:300－303.

[6]QIAO D，MOLFINO R，LARDIZABAL S M，et al.An Intelligently Controlled RF Power Amplifier with a Reconfigurable MEMS-varactor Tuner[J].Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，2005，53（3）:1089－1095.

[7]ENTESAR K，REBEIZ G M.RF MEMS，BST and GaAs Varactor System-level Response in Complex Modulation Systems[J].International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering，2008，18（1）:86－98.

[8]SUN Guo-lin，JANSEN R H.Broadband Doherty Power Amplifier via Real Frequency Technique [J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2012（60）:99－111.

[9]JAMIL M，SHAIKH S P，SHAHZAD M，et al.4G:The future Mobile Technology[C]//TENCON 2008，IEEE Region 10 Conference，2008:1－6.

[10]KHAN F.LTE for 4G Mobile Broadband:Air Interface Technologies and Performance[M].British:Cambridge University Press，2009.