一种用于GSM/WCDMA/LTE的宽带功率放大器

潘茂林，刘蕾蕾

(南京邮电大学 电子与光学工程学院、微电子学院，江苏 南京 210023)

射频功率放大器是现代移动通信设备的关键组件之一，在一定程度上决定着设备的尺寸、功耗以及工作电压［1］。通信制式和标准的不断演进以及信号调制方式的复杂化要求功率放大器要适应更宽的带宽、更高的线性和更快的数据传输速率。高端蜂窝移动设备要求同时覆盖GSM/EDGE（2G）、UMTS（3G）和LTE（4G）等多个频段，这就表明设备必须同时支持至少4种模式，覆盖7个工作频段［2］。因此，同时适用于GSM/WCDMA/LTE的宽带的高线性射频功率放大器成为当下的研究热点。为了满足这些需求，近年来提出了许多设计新颖的射频功率放大器［3-8］。众所周知，与GaAs HBT工艺相比，Si CMOS工艺更容易实现全集成和复杂的逻辑控制功能。有很多研究集中在用于移动设备和无线局域网的全集成CMOS功率放大器［6-8］。然而，采用GaAs HBT工艺的功率放大器具有更高的功率密度，可以实现更高的效率和更低的非线性失真。因此，目前大多数商用的功率放大器采用GaAs HBT工艺设计制造［3-5］。

为了实现高线性、宽带宽和低成本的要求，本文设计并制造了一种用于GSM/WCDMA/LTE的宽带功率放大器。

1 电路设计和制造

1.1 偏置电路

当大功率的射频信号加在HBT功率放大器的基极时，基极-发射极结二极管偏置点由于整流平均直流电流的增加而减小。因此HBT功率放大器的基极-发射极电压降低导致跨导减小，使得功率放大器增益压缩、线性度恶化［9］。

为了减少非线性失真，降低电路的温度敏感性，该功率放大器采用了如图1所示的有源偏置电路。

该偏置电路由晶体管Q2、整流电阻Rb、旁路电容Cb和发射极-基极二极管D1、D2组成。当输入功率增大时，该偏置电路的存在会使功率管Q1的基极-发射极电压以及集电极电流增加，从而改善功率放大器的增益压缩和线性失真。Q2和D1形成了一个电流镜，为Q1提供偏置。两个相同尺寸的结二极管D1、D2串联使Q2的基极-发射极电压翻倍，从而为功率管Q1提供足够的偏置电压。另外，当功率管的温度快速上升时，Rref和Rb的存在可以抑制电流随温度的升高不断增大，对降低电路的热敏感性有很大帮助。

1.2 宽带输出匹配设计

宽带输出匹配对多频段覆盖的功率放大器至关重要。其主要设计目标是实现对工作频段的高效率、低失真传输和对高次谐波的抑制［10］。基于以上论述，我们采用了如图2所示的一种带有二次谐波抑制作用的两级低通输出匹配电路。

图2中串联到地的C2fo和L2fo谐振在二次谐波，对二次谐波呈现出低阻抗，实现了谐波抑制作用，其中C2fo通过GaAs HBT芯片上的MIM电容实现，L2fo由基板的传输线实现。此外，电感L01、L02和贴片电容C01、C02组成了两级低通匹配电路。需要特别指出的是电感L01、L02未使用贴片元件，而同样是由基板上宽度为150μm、电感值约为0.5 nH和1.2 nH的传输线来实现。相比于贴片电感，传输线电感具有更高的Q值（大约可以达到40），可以尽可能降低输出匹配的损耗，同时，省去两个昂贵的贴片电感也降低了芯片制造成本。

图3给出了输出匹配电路损耗仿真结果。考虑到实际的基板会引入额外插损，仿真电路中添加了0.15 dB的衰减器。仿真结果显示该宽带匹配电路在工作频率范围内的损耗为0.5～0.6 dB。由于2fo电路的存在，在整个二次谐波范围内展现出了很好的频率抑制效果。可以看出，正如我们期待的那样，该宽带输出匹配电路同时实现了基频范围内的低插入损耗和高次谐波的良好抑制效果，达到了设计目的。

1.3 功率放大器电路

一种覆盖GSM/WCDMA/LTE通信中Band-1/2/3/4/34/39频段的功率放大器电路如图4所示。电路采用两级设计，其中Q1为驱动级，Q2为功率级，输入匹配为高通结构，输出匹配为低通结构，级间采用类Π 型匹配结构来增大线性带宽。此外，驱动级Q1的集电极和基极之间添加了RC串联负反馈来增加电路稳定性。为了使仿真结果更加准确，设计引入了并联到地的电容Cp1和Cp2来模拟版图布局中集电极到输出端路径上的寄生电容。

为了验证芯片设计性能，本文用GaAs HBT工艺完成了该宽带功率放大器的流片。图5（a）所示为芯片的实物图，其中，驱动级的发射极面积为342 μm2，功率级的发射极面积为3 456μm2，芯片的总面积为0.755 mm×0.800 mm（包含输入匹配，部分级间匹配和完整的偏置电路）。如图5（b）所示为带有封装基板的芯片实物图，该芯片的封装尺寸为3 mm×3 mm。

2 功率放大器测量结果

如图6所示为芯片评估板实物图，使用罗杰斯板材设计评估板对功率放大器进行了测试。工作电压3.5 V，静态电流为110 mA，测试调制信号为10 MHz 50RB QPSK LTE信号。图7所示为小信号S参数的测量结果。由图7可见，功率放大器的小信号增益S21在1 710～2 050 MHz的工作频率内约30 dB，输入、输出回波损耗S11、S22分别约为-10 dB和-13 dB，在二次谐波3 420～4 100 MHz的频率范围内实现了良好的谐波抑制效果。

图8和图9给出了LTE（4G）模式下功率放大器的大信号测试结果。图8为功率增益和功率附加效率的对比图，由图8可知，当输出功率为28 dBm时，该功率放大器在1 710 MHz、1 900 MHz和2 050 MHz三个频率的功率增益分别为29.95 dB、29.94 dB和29.14 dB，功率附加效率分别为37.2%，36.6%和35.6%。图9为邻信道泄露比（ACLR）的测试图，由图9可知，当输出功率为28 dBm时，该功率放大器在1 710 MHz，1 900 MHz和2 050 MHz三个频率的ACLR分别为-37.7 dBc，-39.8 dBc和-37.1 dBc。另外，在输出功率回退时，功率放大器的ACLR都小于-38 dBc。表1总结了本文与参考文献设计的测试结果对比。由表1可知，该功率放大器在牺牲了较小的功率附加效率下，实现了更高的输出功率和更好的线性度。

表1 测试结果对比

3 结束语

本文利用GaAs HBT工艺设计并制造了一种适用于GSM/WCDMA/LTE通信Band-1/2/3/4/34/39的宽带功率放大器。通过采用级间多级匹配技术和输出匹配二次谐波抑制设计实现了良好的带宽和线性性能。该功率放大器具有封装尺寸较小、成本低廉、单芯片覆盖多频段等众多优点，可用于移动通信设备的射频前端模块。