高效率基站功放的研究与设计实现

林锡贵

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

进入21世纪以来，通信行业取得重大进展，但是因为移动带宽的限制而使得带宽被大规模削减，大部分新的解决方案都依靠繁琐的调制手段来降低相关带宽的消耗，在诸多相关方案的操作中均是通过非恒包络的改善渠道，该方式使得射频信号所对应的峰均比变的范围进行了拓宽，功率放大器具备了更宽的外输变化数值，其对相关设备的线性度标准也更加苛刻。线性度的增加通常依靠功率返还的操作进行作业，但是功率返还肯定会引发放大设备运行质量的大幅度下降。Dherty制定的高性能措施可以有效地克服这一障碍，Dherty方案可以将放大设备在极大的功率波动区域内确保其仍有高性能的输出。

Dherty方案里的放大设备能够有效地解决并促进功率放大设备在功率返还时性能的提升，将其和前馈以及预失真线路相结合，能够在线性度以及性能两者之间获得优化考量，Dherty方案的核心理论是把接收信号的平均区域和峰值区域先分别完成放大，最终再重新进行合成，利用这种形式得到比以往要高的效率和性能。

1 功率放大器的基本原理和构造论述

Dherty构造的原理开始是由贝尔实验所的W·H Dherty进行阐述分析的。通常意义上的Dherty结构如图1所示。

图1 Dherty结构框图

一般需要两个相互平行的放大设备结合，其中一个是主功率放大设备，也叫载波功率放大设别，第二个称为辅助功率放大设备，也叫峰值功率放大装置。在进行组合的时候，主功率放大器偏置在AB区域，而辅助功率放大器偏置在C区域。主功率放大器后部分以及辅助功率放大器的前部分都配置了λ／4的微带连接线，各自产生阻抗波动的效果以及相位稳定的功能。其中两条支路通过λ／4微带连接线完成汇合同时把放大后的信号完成外送。如果主放大设备几乎饱和时辅助放大装置就会对外输送电流，通过这种方式降低主放大设别的对外阻抗，最终就可以使得主放大器在接近饱和时放出大量的电流，该现象一般能用“有源负载牵引”[1]的观点来进行分析。通过该方法能够使主放大设备在饱和输出区域的功率返回到8 dB的状态下取得与负载饱和功率相同的效果和性能。

Dherty结构放大装置的关键理论分析能够按照其运行的3种不同的形式完成研究，依次是低功率运行模式、中等功率运行模式、高功率运行模式，如图2所示。

2 功率放大器设计的要点和关键理论研究

功率放大装置的用途关键是将高频信号进行扩大直到接收设备所规定的功率范围，其对功放器运行的效率性能和功率都得符合相关的规定和限制：外输功率和综合性能都必须尽可能高，而且功率放大设备在频率范围内一定要保证运行的稳定可靠，而达到上述全部要求于与源阻抗、相关载荷阻抗等有直接关联。

载荷区域输出功率和功率放大器二者的功率比值，即基站功放设备的功率对应增加值，一般至少需要达到8 dB[2]。互调混合数值指若干个信号叠加穿越功率放大器时所增加的附加数值，通常这也是功率放大器方案中一定要参考的关键数据。它是由于功率放大器的非线性而产生的，具体数值利用交调系数进行显示。另外这里的三阶交调类别以及基波信号的参数在频率范围上极其相似，所以也要强调提高对IMD3，也即三阶交调数据方向的关注和研究分析。

图2 3种模式下的Dherty功放

3 促进基站功率放大设备效率和性能提升的设计流程

该基站建设过程中高效率功率放大器的初步设计依靠的是LDMOS晶体管MRF282S，这个组成构件是N沟道的优化版本，其经过了相关改良并且大部分是在AB类以及A类的PCS和PCN基站中进行现场运行和推广，它的运行频率最高可以突破2 800 MHz，因此该半导体晶体管通常特别在FM.CDMA和非单一载波的功率放大器初步设计中得到大规模应用实施[3]。而且本文涉及的设计方案运用该种类的晶体管还能够极大促进功率放大器的增益的提高，同时其初步投资很低，拥有优异的线性度，因此具有很大的推广相和操作可行性。

3.1 确定相关稳定工作点

稳定正常工作点对功率放大器的现场运行过程会起到相当程度的作用，本设计方案中的稳定工作点的获得初步按照FET_curve_tracer的相关模式，然后把飞思卡尔模型和其进行结合，最后使用MRF282S，在ADS中形成对应的支流扫描模式，同时模拟对应模型完成仿真作业，通过这种方式获取支流特性图像曲线。依据相关的仿真数据最终获取稳定的工作点、栅极电压等参数信息。

相关设计电路的预定参数为：频率范围从2 560～2 720 MHz，另外其输出功率上限设定为140 W，当功率回退到7 dB时，其对应的PAE设定为大于50%，同时该电路可使用到LTE-TDD的基站功率放大设备的模块中。

3.2 工作参数研究及其稳定性

通常为了使功率放大器可以在运行频段范围中保证长期的现场作业稳定，就一定要使其运行频率维持在一个定值。一般来说要确认是不是符合稳定工作状况的规定要根据功率放大器的稳定因子完成相关对比分析。

该设计方案初步依据仿真获取稳定的工作点，利用对相关静态工作点运行流程中获得的电路图可以得出其稳定因子没有达到1，因此功率放大器在该情况下就不能确保运行的稳定性和科学性。为了使得功率放大器的现场运行的稳定性能，此次设计选择在输入端把电阻和相关电容一起进行并联的形式当作确保运行稳定的保证，在进行了仿真试验之后发现，这种设计方式可以促进功率放大器的运行稳定性能，同时其构造十分简便且便于进行大规模的推广应用。

4 结语

综上所述，文章具体分析概括了常见的一种对称Dherty构造，另外探讨研究了全局性对称Dherty方案的设计流程。依据仿真试验的结果阐述了对称构造的科学性和其优越性能，其最关键的区域就是比以往功率放大器在整体输出功率以及效率上均有提高和改善。另外，这种对称构造Dherty方案容易操作也是其一个优势。

利用负载牵引的形式针对高效率的基站功率放大设备完成了相关设计，并依靠ADS仿真设备完成了其仿真实验，从最终的仿真数据能够得出结论本次设计是合理可行的，该设计可以将基站功率放大设备的大部分运行参数进行改善，降低研发的整体时间，极大地减少了投资费用，拓宽了基站覆盖面积，同时把其设计成效尽可能地展现出来，具有大范围推广的科学合理性。