用于无线Mesh通信的宽带线性功放模块设计

魏正华，杜广星，叶小兰

（1.长沙民政职业技术学院电子信息工程学院，长沙410004；2.湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082；3.长沙环境保护职业技术学院环境监测系，长沙410004）

1 引言

随着自然环境的破坏，近几十年来我国自然灾害频发，是全球仅次于美国和日本的自然灾害最严重的国家，给国家生产建设和人们生命财产安全造成巨大威胁［1］。因此，2018年3月，中国政府组建应急管理部建立统一指挥、专场兼备、反应迅速、上下联动、平战结合的新时代应急管理体系［2］。应急通信是进行应急管理的重要技术手段，面对自然灾害、事故灾害、环境污染、公共安全等突发事件，公网基础设施极有可能被损毁无法通信或通信容量不足导致通信堵塞，第一时间快速部署应急通信保障系统、实时获取现场状况为上级迅速掌握事件态势进行准确决策和指挥救援，从而尽可能减少国家和社会损失［3］。无线Mesh 通信系统具有高吞吐速率、远距离、组网灵活和易部署的特点，成为应急通信系统的主流技术方案［4］。由于现有无线Mesh 通信系统的节点之间大多以单频点进行通信，恶劣的电磁环境下信道容易被干扰，导致通信性能降低，设计的宽带射频线性功放模块能够让无线Mesh 系统在（1～1.5）GHz 频率范围内配置工作频点，进一步提高无线Mesh 通信系统的鲁棒性。

2 功放模块设计

2.1 总体方案

设计的宽带射频功放模块主要指标是：（1～1.5）GHz 频率范围内工作频带内增益≥20 dB，输出功率（30～37）dBm＠（1～5）W，二次、三次、四次谐波抑制≥50 dBc，支持数字射频信号峰均比（PAR）≥6 dB，ACPR≤-30 dBc（37 dBm ±1 dB），工作电压范围：（ ＋9～＋17）V，功耗≤40 W（发射平均功率5 W），具有开、短路保护和温度保护功能。通过分析指标，宽带射频线性功放模块设计总体架构如图1所示。

图1 宽带射频线性功放模块总体图Fig.1 General diagram of broadband RF linear power amplifier module

2.2 发射链路放大电路设计

2.2.1 驱动放大器设计

驱动放大器选择TriQuint 公司生产的TQP7M 9104，对功放模块的效率影响不大，主要考虑提高线性度，所以设计为A 类功放。将厂家提供的芯片s2p 文件导入ADS 软件仿真，并在史密斯圆图中进行多级L 型匹配，每一级L 型电路转动的阻抗要在对应节点品质因数范围内［5］，最后设计驱动放大器电路如图2所示。

从图2 中可知，驱动放大器的输入输出匹配电路由微带线并联多个电容组成的多级L 型电路构成，电路板选用的是罗杰斯4350B 板材，仿真该电路的增益、稳定系数和输入输出驻波如图3所示。

图2 驱动放大器电路图Fig.2 Circuit diagram of driving amplifier

图3 显示，工作频段范围内小信号增益是（17～18.8）dB，稳定系数大于1，确保了驱动放大器工作在绝对稳定状态，通过多级L 型匹配网络进行宽带匹配后输入驻波系数小于2.3，输出驻波系数小于1.5，宽带性能满足驱动放大器需求。

图3 驱动放大器小信号仿真结果图Fig.3 Small signal simulation results of driving amplifier

2.2.2 末级功率放大器设计

在ADS 中导入厂家提供的NPT1015B 器件模型进行仿真设计，将直流偏置点设置为600 mA，通过栅压调节电路设置栅压为-1.05 V，在（1～1.5）GHz 范围选择1 GHz，1.1 GHz，1.2 GHz，1.3 GHz，1.4 GHz，1.5 GHz 共6 个频点通过负载牵引技术（LoadPull 技术）寻找最佳阻抗点［6-8］，输入端采用高低阻抗微带线和串联电阻增加整个电路稳定性，输出端采用高低阻抗微带线并联电容方式设计匹配电路，板材为罗杰斯4350B 板材，仿真优化后设计电路如图4所示，小信号仿真结果如图5所示。

图4 末级功率放大器电路图Fig.4 Circuit diagram of final stage power amplifier

图5 末级功率放大器小信号仿真结果图Fig.5 Small signal simulation results of final stage power amplifier

图5 中，末级功率放大器工在作频带范围内增益为（12.4～15.7）dB，稳定系数大于2.7，电路处于稳定工作状态，表明在输入匹配电路引入电阻的方式有利于功率放大器电路稳定，输入端驻波系数小于1.55，输出端驻波小于1.35，匹配性能良好。

选取1 GHz，1.1 GHz，1.2 GHz，1.3 GHz，1.4 GHz，1.5 GHz 频点进行单频点连续信号推动该末级功率放大器输出，输入信号功率从小增大，当基波将达到饱和功率点时输出信号包含基波和各次谐波分量，使用ADS 仿真分析该末级功率放大器的增益与基波输出功率关系、功率附加效率（PAE）与基波输出功率关系如图6所示。

图6 末级功率放大器大功率输出仿真结果图Fig.6 High power output simulation results of final stage power amplifier

图6（a）显示在6 个频点分别进行单频点连续波输入，当输入信号功率较小时，各频点基波增益基本保持稳定，分别为15.7 dB，14.9 dB，14.3 dB，13.7 dB，13.1 dB，12.4 dB，表明该末级功率放大器处于线性状态，输出信号没有产生失真；图6（b）显示基波输出38 dBm 时，PAE≥20 %。

对末级功率放大器在工作频带内选取1 GHz，1.1 GHz，1.2 GHz，1.3 GHz，1.4 GHz，1.5 GHz 频点进行双音连续信号推动输出，双音频率间隔5 kHz。采用ADS 分析本设计中末级放大器的非线性指标IM3和IM5如图7所示。

图7 双音信号激励非线性仿真结果图Fig.7 Nonlinear simulation results of two-tone signal excitation

3 实物设计和测试结果

图7 显示末级功率放大器在输出平均功率38 dBm 时，已进入到了非线性区域，存在-33 dBc 的谐波分量，为实现谐波≥50 dBc 的目标，通过外协定制带通滤波器，性能指标：通带为（1～1.5）GHz，带内插损0.5 dB，通带驻波小于1.5，带外抑制40 dB＠（2～2.2）GHz，45 dB＠（2.2～2.8）GHz，50 dB＠（2.8～3）GHz，40 dB＠（3～6.2）GHz，承受平均功率15 W，峰值功率50 W，尺寸为（10 ×15）mm；用于开短路保护的宽带隔离器通过外协设定指标：频率范围（0.99～1.51）GHz，最大正向损耗小于0.5 dB，最小反向隔离11 dB，带内驻波系数1.8，承受功率达20 W，负载功率10 W。对宽带射频功放进行电路加工，实物如图8所示。

图8 宽带射频功放模块实物图Fig.8 Picture of broadband RF power amplifier module

无线Mesh 通信系统实际工作时发射的射频信号是高峰均比的COFDM 信号，但通信系统工作在时分复用（TDD）模式，不便验证宽带射频功放模块输出性能，根据以往调试经验，利用数字信号源产生的64 QAM、带宽为20 MHz 的高峰均比数字射频信号替代COFDM 信号，采用邻信道功率比（ACPR）衡量射频功放模块的线性度；宽带射频功放模块的增益是两级放大增益去除无源电路的损耗并通过π 型衰减器调整的最后链路增益，总体测试结果如表2所示。

表2 模块测试性能Tab.2 Test performance of broadband RF power amplifier module

表2 测试结果显示，工作频带内选择6 个频点作为数字射频信号的载波频点，相邻载波频点间隔100 MHz，单频点载波测试时增益大于20 dB，频带内每个频点的输出P1dB点大于43 dBm，达到高于输出平均功率37 dBm 时大于6 dB 的设计目标。当数字射频信号平均输出功率37 dBm 时，ACPR 小于-34 dBc，直流功耗最大不超过40 W，2 次及以上谐波抑制大于50 dBc，表明在（1～1.5）GHz 工作频带内宽带射频功率模块线性度、模块功耗、谐波失真指标都符合无线Mesh 通信系统的应用要求。

4 结束语

设计了一款无线Mesh 通信系统的宽带射频线性功放模块，介绍了该模块的总体设计架构，对驱动放大器、末级放大器的设计仿真及调试过程做了详细描述。测试结果表明：

1）宽带射频功放模块输出的P1dB≥43 dBm，表明当平均功率5 W 射频信号，峰均比PAR≥6 dB；

2）宽带射频功率模块工作频带内选择任意载波频点输出平均5 W 功率的数字射频信号时，ACPR≤-34 dBc，表明该宽带射频功放模块达到芯片的最佳性能，具有良好的线性度；

3）谐波抑制≥50 dBc，不会对无线Mesh 通信系统节点接收端的基带数字解调造成干扰；

4）增益≥20 dB，直流功耗≤40 W，满足整机的对增益和功耗的设计要求。