面向5G通信应用的射频功放研究

摘要：随着移动通信的发展，数据速率要求已经到了非常高的水平，如5G通信最大下载速率达到1Gbps，与之对应的通信带宽也随之增加，如5G NR频段3.3GHz～3.6GHz，工作带宽300MHz，最大信号带宽也为300MHz这对射频硬件要求非常高，特别时射频功率放大器，因此本文重点研究面向5G應用的射频功放，即高频、大瞬时带宽、高效率功放。

关键词： 5G；射频功放；瞬时宽带；高效率

一、引言

射频功放宽带及高效率技术一直以来都是通信行业研究热点，特别是5G发牌后，5G 通信需求对频谱带宽和设备效率的要求达到了前所未有的水平。目前很多学者对这方面也进行了相关研究，但还有一些关键技术问题有待解决，如射频功放在3.5GHz满足宽带工作带宽的同时能够支持超宽带瞬时带宽的通信要求，这对射频功放的设计来讲具有非常大的挑战。

虽然过去几年，在功放宽带信号线性改善方面有见报道[1]，但这些研究成果还存在局限性，不能解决目前5G 通信中高频段宽带应用问题；本文主要通过对GaN HEMT的基频、包络频率、谐波频率对应的阻抗进行针对性的设计，从而达到超宽带信号改善的目标，为5G通信提供高端的射频功放解决方案。

二、功放宽带信号线性特性理论分析

为了简化问题复杂度，同时又不影响宽带信号的分析，本文引入如图1所示简化FET模型[2]，研究其在不同间隔双音信号激励下IMD3的影响因素，从而确定设计功放宽带线性的思路方法。

工作在饱和区共源场效应管漏极电流的3阶泰勒展开式如下：

（1）

（2）

Gm为场效应管的跨导，Gd为场效应管的输出电导，Gm2， Gm3是跨导随栅压的变化量，Gd2， Gd3 为输出电导随漏压的变化量，vg为栅极信号电压，vd为漏极信号电压；Gmd和Gm2d表示Gds对栅极电压的一阶、二阶非线性依赖关系， Gmd2表示Gm对漏极电压的二阶非线性依赖关系Cgs1，Cgs2， Cgs3分别是对Cgs栅极电压的一阶、二阶、三阶非线性依赖关系。

假设频率分别为ω1，ω2双音信号vg，其间隔为Δω（ω1＜ω2），每音的幅度记为vs，则

vg=2vscos（ωc）cos（Δωω/2）                          （3）

把vg带入上面式子可以求得三阶互调电压幅度为：

（4）

（5）

上述方程中的参数c0，c1，c2，r在文献[2]中有明确定义，这里只通过方程对三阶互调电压幅度的影响因素做定性分析。从方程（2）和（3）可以看出在给定的偏置条件下，影响功率放大器三阶互调幅值且与外部电路设计有关的参数主要有，2阶互调（包络）频率阻抗、3阶互调频率阻抗、2次谐波频率阻抗，所以面向5G超宽带功放设计可以从上面几个要素综合考虑。

三、功放单管匹配电路设计及仿真验证

为了研究支持宽带信号功放匹配电路，本文选用了高频及宽带特性较好的GaN HEMT功率放大器，宽带输出饱和功率25W。

根据上节理论分析功放的宽带线性除了与基频3阶频率阻抗有关，还与包络频率阻抗及2次谐波阻抗有关，结合目前行业对功放宽带线性的评估方法即功放输入双音信号，以为中心，不断扩大双音频率间隔直到IMD出现明显的谐振（IMD突变）时，把IMD出现谐振的双音间隔带宽定义为该功放支持的最大信号带宽，所以要想功放支持信号越宽，必须使其3阶频率阻抗、2次谐波阻抗、及包络频率阻抗随带宽变化趋于平缓，一般情况下其3阶频率阻抗在工作频段内或附近，与基频阻抗一起考虑匹配，主要考虑对带内多个射频指标的影响，本文主要从2阶（包络）频率阻抗及2次谐波阻抗幅值的角度优化功放宽带信号情况下线性指标。如图2所示。

从图2可以看出经过优化后的功放输出阻抗在2阶频率及2次谐波频率处的阻抗幅值更低且变换更平缓，对应优化前后两种匹配功放的宽带线性结果对比如图3所示（工作频段3.3GHz～3.8GHz，双音中心频点3.55GHz，功放增益，输入功率为25dBm）。

通过图3可以看出，考虑2阶频率及2次谐波频率处的阻抗优化的匹配，其IMD谐振点约在430MHz处，即能支持430MHz的宽带信号，而没考虑2阶频率及2次谐波频率处的阻抗优化的匹配，其谐振点约在310MHz处，即其支持最大信号带宽约为310MHz。由此可见本文设计匹配的先进性，基于基频，2阶、3阶及2次谐波频率阻抗优化匹配的功放原理图如图4所示，其功率和效率指标如图5所示。

四、面向5G应用的宽带高效率Doherty设计[3]

上面章节研究并设计了支持超宽瞬时信号的功放管匹配电路，本节将利用上面设计的单管设计高效率宽带Doherty电路如图6所示，以便满足5G宽带高速率的通信需求，同时进一步降低系统功耗，节约社会资源。

为了实现宽带高效率Doherty，除了单管宽带的匹配电路设计，负载调制拓扑利用逆Doherty架构，在合路端采用3阶切比雪夫阻抗变换器，将合路点阻抗从12.5欧转换至50欧，从而在满足3.3～3.8GHz 500MHz 工作带宽同时，达到较高效率并支持支持超过300MHz的信号带宽。

宽带高效率Doherty的关键技术指标如图7所示。

通过图7可以看出，该Doherty系统在3.3GHz～3.8GHz的工作带宽内，输出功率为40dBm时，PAE>41%，Psat>47.8dBm，Gain>10.8dB，各项指标均满足应用要求，该设计同时支持了电信，联通5G频段以及部分国外运营频段，做到了最大化兼容。另外为了评估该Doherty系统能支持的最大信号带宽，本文还用双音间隔信号进行了仿真评估，Doherty功放输出功率约为40dBm， 中心频率3.55GHz，在双音间隔信号下的线性结果如图8所示。

通过图8可以看出，该Doherty系统支持信号带宽大于370MHz。

五、结束语

本文通过理论上分析影响功放线性的参变量因素，定性的分析这些因素对功放线性特别时宽带信号下线性的影响，找到了提高功放宽带信号下线性的方法，即在做基频匹配的同时要控制2阶频率、2次谐波频率的阻抗幅值，使其幅值尽量减小并且随频率变化缓慢，才能最大限度地提高宽带信号下功放的线性，为了验证本文提出方法的正确性，本文利用宽带GaN HEMT设计了具有2阶频率、2次谐波频率阻抗控制的单管匹配，并与只进行基频匹配的单管进行了对比，通过对比结过可以看出，利用本文提出方法设计单管支持信号带宽比传统匹配方式单管宽120MHz左右，效果非常明显；验证了方法有效性后，本文又利用该单管设计了面向5G应用的高效率宽带Doherty系统，在满足3.3GHz～3.8GHz带宽饱和功率大于60W的同时，其效率大于40%@8dB OBO，可在低功耗模式下，大大提升信號覆盖设备的通信带宽和速率，提升用户体验，并且满足多运营商使用，做到真正的共建共享，绿色节能。

作者单位：刘江涛    京信网络系统股份有限公司

参  考  文  献

[1] J. Brinkhoff and A. E. Parker， Effect of baseband impedance on FET intermodulation， IEEE Trans. Microwave Theory Tech.， vol. 51， pp.1045-1051， Mar. 2003

[2] Ning， Z.， et al. An integrated RF match and baseband termination supporting 395 MHz instantaneous bandwidth for high power amplifier applications. 2017 IEEE MTT-S International Microwave Symposium （IMS） IEEE， 2017

[3] 刘江涛.超宽带高效率功放技术研究[J].信息通信，2017（09）：13-14.