收稿日期：2017-05-24
作者简介：石晶晶（1980-），男，河南罗山县人，主任工程师，硕士研究生，主要研究方向：
无线通信系统设备射频相关模块。在现代通信系统中，使用高功率宏站做大范围信号覆盖仍然是主流方案，而高功率放大器作为其中重要的模块一直以来受到很多公司和专家的关注。随着技术的发展，高功率放大器的宽带化需求也越来越大，在电子战，电磁兼容测试以及无线通信这些领域超宽带高功率放大器都是重点研究项目。其作用在移动电 话，卫星通信，毫米波通信，雷达以及全球定位系统中都有非常广阔的应用。
在商用通信领域，为了降低物料成本以及产品维护成本，设备厂家通常希望设计超宽带通用功率放大器实现系统平台的整合，用少数几种功率放大器涵盖大多数通信频段，既可以降低成本也可以缩短产品研 发周期。
通信系统中的功率放大器通常由驱动放大器和末级放大器组成，驱动放大器由于功率较小，
很容易实现超宽带的需求，其本身功耗也较小，对整体效率影响不大。因此末级放大器才是整体设计的关键，这其中涉及到高效率Doherty 设计，器件选型，以及器件特性分析 等关键技术。
1超宽带高效率高功率放大器关键技术
1.1Doherty 原理
Doherty 是射频功率放大器提高效率的关键技术，
它主要是由两个以上功放管组成如图1所示，一路做主管，工作在Class AB 模式，另一路或多路做峰管，工作在Class C 模式。Doherty 架构有多种设计方法，
对称，非对称，两路，多路等等，考虑超宽带对设计难度，批量生产一致性等影响，
两路对称Doherty 是较适合的超宽带高效率高功率放大器的研究与设计
石晶晶
（上海贝尔股份有限公司，上海
201206）
摘要：文章介绍了一种频段范围在1800MHz~2200MHz ，输出功率43.5dBm 的超宽带高效率高功率放大器，
该放大器采用NXP 公司的GaN 功放管A2G22S160，使用Doherty 高效率架构。通过负载牵引技术得到该器件在各个频率的阻抗Smith 圆图，主要利用ADS 工具仿真完成超宽带设计。关键词：超宽带；GaN ；功率放大器中图分类号：TN722 文献标
识码：A
Super Wideband High Efficiency High Power Amplifier Study and Design
SHI Jing-jing
(Shanghai Bell CO.,Ltd.Shanghai 201206,China)
Abstract ：In this paper the design of an super wideband high efficiency high power amplifier with frequency range 1800MHz~2200MHz and 43.5dBm ouput power is introduced,it is designed in Doherty high efficiecny architecture with two NXP GaN transistors which partnumber is A2G22S160.The impedance Smith charts for the whole frequency are got by loadpull technology,and use ADS tool to implement the major design for super wideband.Key words:super wideband;GaN;amplifier
图1Doherty 功放架构图
第25卷第4期石晶晶：超宽带高效率高功率放大器的研究与设计
架构。Doherty技术的优点是高效率，但同时也制约了功率放大器的带宽，从图中可以看出Doherty的
主要工作原理是在低功率的时候使峰管不工作而且同时使主管工作在高阻抗状态，当功率超过一定值时峰管才开始工作，从而达到提高效率的目的，但是阻抗变换微带电路的存在在一定程度上限制了带宽。
1.2GaN器件优势
在3G,4G时代，通信系统中的传统高功率放大器主要使用LDMOS功放管，这是因为在传统通信频段中很少有连续的超宽频段，频段被细分成零碎的小片段，比如WCDMA2110MHz~2170MHz,CDMA 1930MHz~1960MHz,GSM1805MHz~1880MHz。因此LDMOS功放管在低频（3500MHz以下）窄带领域有很强的优势，但是随着5G时代的到来，3500MHz以上的频段开始受到关注，而且有较连续的范围，超宽带功率放大器的需求开始上升。而GaN功放管在很多方面有LDMOS无法比拟的优势：
（1）高输出阻抗：
对于射频和较低微波频率的高功率放大器，设计时通常采用和工作带宽相应的主流阻抗变换网络，而功放管的功率越高输出阻抗就越小，在功率放大器设计时的阻抗变换比就越大，而GaN器件相比传统LD-MOS或GaAs器件在相同的饱和功率下有更高的阻抗。由于GaN器件只需要较低的阻抗变换比，因此可以实现更高的带宽。同时也使设计更简单，风险更低，性能更高。
（2）本征带宽能力：
由于GaN器件具有较高的电流密度和较低的寄生电容，因此可以增加本振带宽能力。
（3）高功率密度：
GaN器件具有高功率密度，以及低寄生性的特点，可以最大化输出功率和最小化电路表面积。
1.3负载牵引技术
高功率放大器的关键在于匹配电路的设计，通常设计工程师可以通过器件的数据手册或利用模型作为参考，但在超宽带放大器的设计中负载牵引技术就起到非常重要的作用。负载牵引是一种用来测量阻抗的技术，有基波和谐波负载牵引分别用于在基波频率和2次3次谐波频率上测量有源器件的阻抗，其原理是通过阻抗调谐器在计算机的控制下不断调节输入和输出端阻抗，并记录下在不同阻抗下有源器件表现出的性能（通常是峰值功率，效率，增益等），从而到让有源器件输出功率最大，效率最高，增益最大的输入和输出匹配阻抗，这种方法可以准确的反映出器件在大信号条件下的最优性能，以及其阻抗随输入功率的变化特性，从而为超宽带功率放大器的设计提供了最详尽的数据基础。
图2负载牵引阻抗等高圆图
如图2所示，图中横坐标是阻抗实部，纵坐标是阻抗虚部，红等高线表示效率，其中心点是最高效率点。黑等高线表示峰值功率，其中心点是自高峰值功率点。
2超宽带高效率高功率放大器的ADS仿真设计
2.1ADS简介
ADS(Advanced Design System)软件是安捷伦公司专门为RF工程师以及DSP工程师开发的EDA工具，也是目前射频微波电路和通信系统仿真中使用最多的工具，其功能非常强大，覆盖了从集总参数到分布参数；从低频到高频；从时域到频域等全方位的设计。由于ADS在射频领域被广泛使用，因此很多器件厂商都针对ADS设计环境制作了器件模型，比如NXP,Cree 的有源器件模型，各种无源电容，电感模型，这些模型的加入使得仿真结果更加精准，从而使工程师的设计也有的放矢，以尽量少的投板次数达到设计目的。
2.2确定初始阻抗参数
首先要确定功率管最佳工作状态时的阻抗参数，由于要使用Doherty架构来设计功率放大器，因此不但要确定功率管在50欧姆负载匹配下的最佳阻抗，还要到功率管在100欧姆高阻负载状态下的最佳阻抗。通过负载牵引技术可以画出功率管的阻抗等高圆图，
图3P-3和效率的阻抗等高圆图
如图3所示，可以通过连接最佳峰值功率点和最佳效率点，到中间点并对比不同频率圆图到初始阻
抗
·41·
电脑与信息技术2017年8月
参数以作为仿真的初始起点，
见表1。表1初始阻抗参数
2.3利用ADS 仿真得到原理图
首先设定PCB 板材的各项参数
（长，宽，厚度，介电常数等），设定仿真计划里的频率范围，然后把到的初始阻抗参数导入到ADS 的S 参数模型里作为仿真的标的。原理图中各段匹配微带线的长宽可以通过
各种Smith 圆图工具到初值，低频功率放大器
再利用ADS 的仿真优化功能不断调整直到和标的的初始阻抗参数达到最接
近的程度，
如图4所示。由于采用Doherty 结构，只对50Ohm 负载做最优化仿真是不够的，必须要对低功率下工作时主管的高
阻状态做同样的优化，
通常这个高阻状态是100Ohm ，如图5可用25Ohm 负载加上1/4λ线做阻抗变换。最好对两种状态同时做仿真优化直到都和标的的
初始阻抗参数达到最接近。
图450Ohm 负载仿真
图5高阻100Ohm 负载仿真
2.4利用ADS Momentum 仿真得到PCB 版图
为了使仿真结果更精准，在得到原理图仿真结果后还需要做版图仿真，版图仿真是利用ADS momen-tum 功能做电磁场仿真，这样得到的结果更接近真实PCB 的结果。由于超宽带的匹配网络设计非常敏感，非常细小的微带线长宽变化往往导致高低频点的不平衡，传统在真实PCB 板上贴割微带的手段非常难以调试。但是在ADS 里可以利用momentum 的调试功能方
便的改变微带线长宽来优化版图。优化时同样要兼顾50Ohm 正常工作状态负载和100Ohm 高阻工作状态负
载，同时还要加上偏置电路对仿真的影响，最终得到如图6所示的版图。
图6Momentum 仿真
图7功率放大器实物图
2.5设计完整的Doherty 结构功率放大器
最终在得到阻抗匹配版图后就可以利用Doherty
原理进行整体设计，主要是合路和相位补偿，使主管和峰管两路的相位一致，制板后如图7就是一个完整的
超宽带高效率高功率放大器，
指标性能见表2。表2功率放大器实测指标
3结束语
文中的超宽带高效率高功率放大器最后经过调
试，基本达到设计要求，仿真结果也相当准确，PCB 版
图不需要任何调整就能使功放管工作在最佳状态，将近400MHz 的带宽覆盖了GSM,CDMA,WCDMA 频段，使功率放大器可以实现通用化，
减少了系统元器件采购以及后期维护成本。同时也为以后5G 时代3500MHz,4500MHz 甚至毫米波频段的功放设计起到了重要的参考意义。参考文献：
[1]李辉，陈效健.匹配电路谐波特性对功率放大器性能的影响[J].固体电子学研究与进展[J],2002;22(1):45—48.[2]Peter B.Kenington .High-Linearity RF Amplifier Design [M].London:Artech House,2000.
[3]
Andrei Grebennikov 著，张玉兴，赵宏飞译.射频与微波功率放大器设计[M].电子工业出版社，2006.
频率
（
MHz ）阻抗（Ohm ）18058.5+j*1.618408.8+j*2.018808.8+j*2.521109.8+j*4.521409.0+j*5.52170
8.8+j*5.8
Freq(MHz)
Pout(dBm)ACPR(dBc)CCDF(dBc)Eff(%)
220043.5-33/-337.336.8210043.5-35/-357.736.5200043.7-34/-347.636190043.6-37/-377.535.71800
43.55
-38/-387.6
35.5
·42·
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