P北斗导航射频功率放大器设计

高贵虎 苏凯雄 范梦怡



P北斗导航射频功率放大器设计

高贵虎1苏凯雄1范梦怡2

（1. 福州大学物理与信息工程学院，福州 350116； 2. 电子科技大学信息与通信工程学院，成都 611731）

本文提出一种改进型北斗导航射频功率放大器解决方案，提高了射频功率放大器的效率和线性度。运用负载牵引和源牵引相结合的方法设计末级功率放大器，运用功率回退技术设计前置级放大器和驱动级放大器，运用共轭匹配法设计级间匹配电路减少插损。经过理论分析、仿真设计和实物调试，验证了方案的合理性，制作出可应用于北斗导航终端产品的高效率、高线性度、大功率的射频功率放大器。

北斗卫星导航系统；射频功率放大器；附加功率效率；增益

北斗卫星导航系统经过十余年的发展，已经慢慢发展为全球卫星导航系统[1]。作为卫星通信的关键环节，射频功率放大器关系到信号能否顺利被卫星接收。由于国外芯片巨头暂无针对北斗系统设计芯片计划，国内的技术水平仍欠佳，导致目前市面上的射频功率放大器方案效率低、线性度差、稳定性一般。

为解决以上的问题，本文提出改进型北斗导航射频功率放大器解决方案。通过合理的理论分析和指标分配选取器件，针对效率问题提出源牵引和负载牵引相结合的方法做出优化，引入功率回退技术提高射频链路的线性度，有效降低了交调失真干扰。

1 系统关键指标分析

1.1 系统组成

本文提出的改进型北斗导航射频功率放大器结构如图1所示。系统由前置级放大器、驱动级放大器、末级放大器、温度补偿网络[2]、滤波器、使能开关等单元电路组成。

图1 系统结构图

系统的输入信号为北斗L频点BPSK调制信号，频率为1.61568GHz±4.08MHz，功率电平为0dBm。为了达到北斗10W（40dBm）输出，射频链路需提供大于40dBm的增益。

1.2 增益分析

末级放大器采用LDMOS晶体管PD20010C，该晶体管为AB类放大器，具有效率高，温度稳定性好等优点，能够提供11dB增益。为了提高线性度，驱动级和前置级采用功率回退技术适当提高1dB点，驱动级增益为13dB，前置级增益为20.5dB。针对射频功率放大器高低温增益不同的特点，所选器件引入温度补偿网络FAC0603，其插入损耗约3dB。为了提高收发隔离度和带外抑制度，末级放大器输出端插入滤波器，插入损耗为0.4dB。

系统的总增益为

式中，为增益；L为插入损耗。从式（1）可以看出，总增益约41.1dB。由于匹配损耗和射频接头插损约1dB，所以该方案符合北斗10W设计要求。

1.3 线性度分析

三阶互调3作为衡量放大器线性度的主要指标，表达式如下：

式中，1、d为各级放大器的三阶互调系数。为了分析前后级放大器之间的影响，以两级放大器为例。假设两级放大器的三阶互调系数之差的绝对值为，即=1-2，则前级的3对后级的3的影响值可用下式来表示[3]：

从式（3）可以看出，当越大时，将越小。通过功率回退设计，前置级和驱动级的3指标均良好，对末级3的影响将很小，因此本方案的理论线性度较好。

1.4 效率分析

前两级电源由末级降压而来，所选开关电源的效率高达96%。电源设计时不恰当的摆放、走线都会对器件间的近场耦合产生影响，进而传导EMI干扰射频功率放大器[4]。结合芯片手册和预设的回退值，前置级工作点为5V、100mA；驱动级工作点为5V、350mA；末级工作点为12V、1.3A。因此，总功耗为

2 系统设计与仿真

2.1 单级射频功率放大器

合理的单级射频功率放大器设计能够确保功率正常传输，本文以末级放大器为例分析。末级放大器主要由场效应晶体管、输入输出匹配电路、偏置电路等组成。合适的静态工作点能够让放大器工作在线性区，通过伏安特性和稳定性仿真，确定静态工作点：ds=12V，gs=4V。

为了最大化末级放大器性能，采用负载牵引和源牵引相结合的设计方法[5]。牵引法的核心是通过持续大信号激励，同时改变负载阻抗值，由此得出放大器的等增益圆和等效率圆，通过调整电路参数可使二者尽量收敛重合。负载牵引的仿真结果如图2所示。

图2 末级放大器负载牵引仿真图

从图2可以看出，优化后附加功率效率为52.77%，输出功率为40.01dBm，此时的输出阻抗L=1.436+ j0.878。调用Smith圆图做输出阻抗共轭匹配，为了方便调试，采用传输线和村田电容相结合的方法做动态优化。

源牵引仿真设计同负载牵引仿真，本文不再赘述。经过仿真优化，所得末级功率放大器附加功率效率如图3所示。

图3 末级放大器附加功率效率仿真图

结合上文和图3可以看出，末级放大器在满足10W输出的条件下依旧具有较高的工作效率，接近AB类放大器66%的极限值。

2.2 系统级联性能仿真

级间阻抗匹配关系到功率能否正常传输，当阻抗不连续时，功率传输将引入额外的插入损耗[6]。为了抑制系统EMI，匹配电路设计成p型滤波，通过各级独立接地、缩短引线长度控制等效串联电感ESL等方法可最大化滤波性能[7-10]。本文采用集总参数和分布参数相结合的方法设计匹配网络，根据前后级阻抗做共轭匹配。以驱动级输出和末级输入为例，仿真结果如图4所示。

图4 驱动级和末级间匹配网络性能仿真图

从图4可以看出，匹配网络引入的插入损耗较小，S11和S22指标说明输入端和输出端的反射波少，能够起到良好的匹配作用。通过独立的三级放大器和级间匹配电路设计，所得仿真结果如图5所示。

从图5可以看出，当输入功率为0dBm时，输出功率为40.455dBm，此时的附加功率效率能够达到54.174%。满足北斗导航10W需求，功放效率也处在较高水平。

在无线通信中输出三阶交调截取点3常用来表征线性度[11]，它同输出功率out和三阶互调3的关系为

图5 系统输出功率和附加功率效率仿真结果

在输出功率和效率仿真分析的基础上做双音谐波仿真，仿真结果如图6所示。

从图6可以看出，当输出功率out为40dBm时，三阶互调3为-25.965dBc，由式（6）可得，3≈52.98dBm。通过仿真分析和理论计算，说明该射频功率放大器具有良好的线性度。

3 实物验证与测试

为了促进方案验证，结合射频硬件设计方法，严格控制走线阻抗，同时应用腔体理论屏蔽外界干扰，提高散热效率。基板作为传输媒介直接关系到信号传输，本文采用插入损耗小、温度稳定性好的Rogers4350B。经过版图绘制、板材加工和器件焊接，所得实物图如图7所示。

图7 射频功率放大器实物图

使用信号源输入1.61568GHz单音信号，结合网络分析仪和频谱分析仪调试电路，所得测试结果分别如图8和图9所示。

图8 射频功率放大器输出功率测试

图9 射频功率放大器线性度测试

由外部引入插入损耗为40dB（线缆+衰减器），从图8和图9可以看出，当输入功率为0时，射频功率放大器输出功率为40.054dBm，满足北斗导航10W设计要求。当线性增大输入功率时，输出功率同比增大；当线性减小输入功率时，输出功率同比减小。实验说明，本射频功率放大器在一定区间内具有良好的线性度。

当输出功率为40.117dBm时，稳压源供电电压为12.4V，电流为1.6A，引线阻抗约0.2W。由式（4）和式（5）可计算附加功率效率为53.15%，接近仿真结果54.174%和理论值55.74%。

4 结论

本文提出改进型北斗导航射频功率放大器解决方案，采用负载牵引和源牵引相结合的方法，设计各级功率放大器、共轭匹配的方法设计级间匹配网络、功率回退技术优化线性度、多目标联合优化法动态优化射频链路。经过详细的理论分析、指标分配、仿真设计和实物制作，验证了方案的可行性。本方案设计的射频功率放大器具有效率高、线性度高和温度稳定性好等优点，对比测试北斗行业其他公司方案均具有一定的优势，现已大规模应用于北斗导航终端产品。

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Beidou RF power amplifier design based on power combiner

Gao Guihu1Su Kaixiong1Fan Mengyi2

(1. College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116;2.School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731)

This paper proposes an improved BeiDou navigation RF power amplifier solution that improves the efficiency and linearity of the RF power amplifier. The final stage power amplifier is designed using a combination of load traction and source traction. The pre-stage amplifier and driver stage amplifier are designed using power back-off technology. The conjugate matching method is used to design the inter-stage matching circuit to reduce the insertion loss. After theoretical analysis, simulation design and physical debugging, the rationality of the scheme was verified, and a high-efficiency, high-linearity, high-power RF power amplifier that can be applied to Beidou navigation terminal products was produced.

BDS; RF power amplifier; power added efficiency; gain

2018-06-29

高贵虎（1993-），男，福建省宁德市人，硕士研究生，主要从事微波通信方面的研究工作。

福建省产学研重大基金资助项目（2015H6014）