射频功放非线性分析与测试

卢　骁，丛密芳，任建伟，金　龙，杜　寰

（1.电子科技大学 电子科学技术研究院，四川 成都611731；2.中国科学院微电子研究所，北京100029)

射频功放非线性分析与测试

卢骁1，丛密芳2，任建伟2，金龙1，杜寰2

（1.电子科技大学 电子科学技术研究院，四川 成都611731；2.中国科学院微电子研究所，北京100029)

通过研究射频功率放大器非线性失真产生的理论原因，着重分析了非线性失真中的三阶互调失真(IMD3)。基于功率晶体管AFT27S006N设计了一款应用于TD-LTE基站的功率放大器。经测试，此功放峰值功率为7 W，PAE为53%，Pout回退到1 W时IMD3达到了-43 dBc，符合设计指标。

射频功率放大器；非线性；三阶互调失真

0　引言

近年来，信息产业的发展越来越迅速，而通信产业的发展，则又是信息产业中发展较为迅速的产业。目前通信产业已经走上规模化集成化的发展道路，并已成为信息产业发展中最耀眼的亮点。但随着通信产业的快速发展，通信频段已经成为一种稀有且昂贵的商品，当面临频谱效率和功率效率这两个重要指标之间进行选择时，工业上更趋向于选择频谱效率。为了在有限的频率范围内容纳更多的通信信道，就需要采用更高效率的编码调制方式，例如 TD-LTE系统采用的 BPSK(Binary Phase Shift Keying)、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)数据调制方式[1-3]。这些调制方式采取的是幅度/相位组合调制技术，这意味着传输信号具有较高的功率峰均比(PAR)。而现代数字通信系统又是多载波、多信道的系统，这就需要通信系统具有良好的线性度，否则就会产生失真。而这种失真通常表现为三阶互调失真(IMD3)，会在系统中引起频谱增生(Spectral Regrowth)，将导致带内信号干扰已调信号，使矢量幅度误差(Error-Vector Magnitude，EVM)增大，同时导致频谱扩展，干扰邻近信道信号，增加误码率等[4]。功率放大器是通信系统中非线性最强的器件之一，其非线性失真对通信系统将产生诸多不良影响。因此测试功率放大器的三阶互调失真对于评价通信系统的非线性非常重要，同时三阶互调失真也是评价一个通信系统非线性的一个重要指标。

1　功率放大器非线性理论分析

一个系统的非线性主要来自于器件的非线性，而通信系统的非线性主要来自于功率放大器的非线性。器件或系统的非线性将产生杂散分量，所有的杂散分量都是信号的干扰源并最终导致信号失真。杂散分量分为两种：谐波和复杂杂散分量[5]。

1.1输入单频信号时的谐波

如果一个系统的输出与过去的输入信号无关，那么这个系统就是无记忆系统，即输出电压是输入电压瞬时值的函数，与之前状态无关，即 vout(t)=f[vin(t)]。其中 vin(t)为输入电压的瞬时值，vout(t)为输出电压的瞬时值[6，7]。假设该函数的各阶导数均存在，则改写成泰勒级数形式：

其中ai为泰勒级数幂次项系数。

如果输入单频正弦信号作用于一个非线性系统，输出信号将包含输入信号频率的整数倍频。即如果 vin(t)= Acoswt，带入式(1)得到：

式(2)中包含输入频率的项叫做“基波”(Fundamental)”，高阶项叫做“谐波”(Harmonics)，由此可以看出输出信号是一个无穷谐波分量的复杂整体。输入为单频正弦信号时功放的频谱如图1所示。

图1　单频正弦信号时功放的频谱

在窄带通信系统中，谐波不是一个非常严重的问题，可被滤波器滤去。但在宽带通信系统中，谐波可能会对通信系统产生严重的干扰。

1.2输入为双频信号时的杂散分量

当输入信号是一个幅度相等频率相近的双音频率信号时，即：vin(t)=A(cosw1t+cosw2t)，带入式(1)可得：

由式(3)可看出，放大器的输出信号不仅只有基波和谐波分量，另外还包含|m|+|n|阶互调分量的频率成分mω1±nω2，(m，n=0，±1，±2，…)。这些互调项即为互调失真(Intermodulation Distortion，IMD)。

其中大部分谐波和互调分量可被滤波器滤除，但因为输入信号频率 ω1和 ω2非常接近，三阶互调(IMD3)分量中的 2ω2-ω1和 2ω1-ω2离基波分量很近并可能错误地被认为是有用信号，很难用滤波器滤除，它将导致带内信号干扰已调信号，使已调矢量信号的幅度和相位出现偏差，同时导致频谱扩展，干扰邻近信道信号，增加误码率等。所以IMD3常常被认为是评价功率放大器非线性好坏的最重要指标。

表征IMD3大小有两种方法：一是用相对功率电平表示，它是用互调产物的绝对功率电平与输入载波功率电平的相对差值来表示，单位为 dBc，即：IMD3=P(2ω2-ω1)-P(ω2)；二是用绝对功率电平表示，即以 dBm为单位的互调产物电平值来表示，即：IMD3=P(2ω2-ω1)。

输入为双音信号时功放的频谱如图2所示。

图2　输入为双音信号时功放的频谱

2　功率放大器电路设计

2.1功率放大器的技术指标

本文设计是一款应用于TD-LTE基站的功率放大器，工作频率为 2 570 MHz～2 620 MHz，功放峰值功率＞7 W，PAE＞50%，Pout回退到 1 W 时 IMD3＜-40 dBc。

2.2功率放大器电路设计

针对上述设计指标，本文采用 Freescale公司的 LDMOS场效应晶体管AFT27S006N进行电路设计，该晶体管的工作频段从728 MHz～3 600 MHz，最大输出功率为10 W，PAE为57.5%。

采用Agilent公司的电子设计自动化软件ADS(Advanced Design System)作为仿真设计平台，根据上述设计指标，选取合适的静态工作点，得到合适的偏置电压，利用 Load-Pull的大信号方法分析选择出合适的 zsource和zload，利用 zsource和 zload进行电路匹配设计。AFT27S006N设计电路和仿真结果如图3所示。

从仿真结果可以看出饱和功率约为39 dBm(7.9 W)，最大PAE为 60%，非线性仿真时双音输入频率中心频率为2 600 MHz，间隔为1.6 MHz，回退到1 W(30 dBm)时IMD3约为-43 dBc，整个仿真电路满足设计指标要求。

2.3功放电路实测

根据 AFT27S006N的设计电路进行 PCB制版，在布局和布线过程中主要考虑防止和抑制电磁干扰，提高电磁兼容性。根据板材和工作频率精确计算所需微带线的长度和宽度，射频走线遵循50传输线设计原则同时在射频线两侧尽量多地打上地孔以利用多层铜箔通孔并联获得较低的阻抗和较短的高频电流传输路径[8]。实测电路如图4所示。实测与仿真对比如图5所示。

图3　AFT27S006N设计电路和仿真结果

图4　实测电路图

图5　IMD3及PAE实测与仿真对比

不同频率下IMP3实测对比如图6所示。实际测试时输入频率为2 600 MHz，间隔为 1.6 MHz，从对比图可以看出峰值功率为38.7 dBm(7.41 W)，PAE为52.8%，IMD3实测与仿真趋势基本一致，中心频率分别为2 570 MHz、2 600 MHz和2 620 MHz时，输出功率 1 W时IMD3均小于-40 dBc，符合设计指标要求。

图6　不同频率下IMD3实测对比

3　结论

本文阐述了非线性三阶互调失真产生的理论原因及对功率放大器的重要影响，然后基于 Freescale公司AFT27S006N晶体管设计了一款应用于 TD-LTE基站的功率放大器，对射频电路设计师的实践工作具有一定的指导意义。实测结果表明，该功率放大器峰值功率达到38.7 dBm，PAE大于 50%，在 2 570 MHz～2 620 MHz的工作范围内各项性能良好，输出功率 30 dBm时 IMD3均小于-40 dBc。

[1]CAVERS J K.Adaptation behavior of a feed forward amplifier linea-rizer[J].IEEE Transactions on Vebicular Technology，1995，44(1)：31-40.

[2]郭梯云，杨家伟，李建东.数字移动通信[M].北京：人民邮电出版社，2001.

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[4]朱伟.射频功率放大器互调失真的综合分析与仿真[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[5](美)李缉熙著.射频电路工程设计[M].鲍景富，唐宗熙，译.北京：电子工业出版社，2011：522-528.

[6]张玉兴.射频模拟电路[M].北京：电子工业出版社，2002：134-138.

[7]Behzad Razavi.RF MICROELECTRONICS.2011：14-30.

[8]南敬昌，丛密芳，任建伟，等.TD-SCDMA基站系统功率放大器设计[J].微电子学，2012(4)：481-484.

Nonlinear analysis and testing of the RF power amplifier

Lu Xiao1，Cong Mifang2，Ren Jianwei2，Jin Long1，Du Huan2
(1.Research Institute of Electronic Science and Technology of UESTC，,Chengdu 611731，China；2.Micro-electronics Research Institute，CAS，Beijing 100029，China)

In this paper,it is focus on the analysis of IMD3in nonlinear distortion by studying the theoretical reasons of the nonlinear distortion of the RF power amplifier.According to the power transistor AFT27S006N,we have designed a power amplifier which applied in the TD-LTE base station.After being tested,it meets the design standards:the peak power is 7 W,the PAE is 53%,and while the Poutback-off to 1 W,the IMD3reaches to-43 dBc,consistent with design indicators.

RF power amplifier；nonlinearity；IMD3

TN911

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.005

2015-06-15)

卢骁（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向：射频电路设计。

金龙（1974-），男，副研究员，主要研究方向：微波集成电路。

杜寰（1963-），通信作者，男，研究员，主要研究方向：功率器件，E-mail：duhuan@ime.ac.cn。

中文引用格式：卢骁，丛密芳，任建伟，等.射频功放非线性分析与测试[J].电子技术应用，2016，42(1)：25-27.

英文引用格式：Lu Xiao，Cong Mifang，Ren Jianwei，et al.Nonlinear analysis and testing of the RF power amplifier[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：25-27.