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平衡式并发双波段功率放大器的设计与实现

南敬昌 李政 卢永 王姝婷

南敬昌,李政,卢永,等. 平衡式并发双波段功率放大器的设计与实现[J]. 电波科学学报,xxxx,x(x): x-xx. DOI: 10.12265/j.cjors.20211227
引用本文: 南敬昌,李政,卢永,等. 平衡式并发双波段功率放大器的设计与实现[J]. 电波科学学报,xxxx,x(x): x-xx. DOI: 10.12265/j.cjors.20211227
NAN J C, LI Z, LU Y, et al. Design and realization of dual-band power amplifier based on balanced structure[J]. Chinese journal of radio science,xxxx,x(x): x-xx. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.20211227
Citation: NAN J C, LI Z, LU Y, et al. Design and realization of dual-band power amplifier based on balanced structure[J]. Chinese journal of radio science,xxxx,x(x): x-xx. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.20211227

平衡式并发双波段功率放大器的设计与实现

doi: 10.12265/j.cjors.20211227
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(61971210);企业合作项目―射频LDOMS功放器件研究与测试
详细信息
    作者简介:

    南敬昌:(1971—),男,河南滑县人,博士,教授,博士生导师,研究方向为射频电路与系统、信号处理与信息编码、通信系统仿真等

    李政:(1996—),男,山西晋中人,硕士研究生,研究方向为射频电路系统与功率放大器设计

    卢永:(1980—),男,讲师,研究方向为通信系统建模与仿真、射频通信电路等

    通讯作者:

    李政 E-mail: lizheng20sui@163.com

  • 中图分类号: TN722;TN73

Design and realization of dual-band power amplifier based on balanced structure

  • 摘要: 并发式双波段功率放大器一直是5G通信技术研究的热点之一. 当双频激励信号同时出现时,传统的双波段功放会由于双频信号所产生的调制效应导致阻抗匹配恶化,甚至出现失配的情况. 针对以上问题,文中提出的功放利用平衡结构,优化其匹配特性,将阻抗失配所产生的反射分量通过双频耦合器消除,从而很大程度上改善调制效应所导致的失配问题,改善输出、输入端口的驻波情况,提升功放的性能以及稳定性,基于上述方法设计了一款能够同时在GSM900和TD-LTE频段工作的功率放大器. 在本文首先基于π型阻抗变换结构,设计了一款并发双波段3 dB定向耦合器,此外为避免出现双频阻抗变换器计算繁琐和空间布局困难的情况,在支路放大电路采用π型和T型结合的双频阻抗变换器,经过理论推导和仿真,可实现任意频率的两个不同阻抗变换,最终实现了工作在GSM900和TD-LTE频段的平衡式并发双波段功率放大器. 本设计基于ADS仿真平台,选用GaN晶体管CGH40010F进行设计仿真,并以Rogers4350b板材制作实物. 实测结果显示,在900 MHz和2.6 GHz两个频段上匹配良好,与传统并发双波段功放相比较,本文提出的功放结构能够显著优化匹配性能,驻波系数有明显降低,饱和输出功率为44.6 dBm和43.3 dBm,相比于单管功放的饱和输出功率提升了一倍,两个工作频段上功率附加效率(power added efficiency, PAE)分别为62%和64%,实测与仿真差距较小,具有较好的一致性. 通过分析与测试,该功放结构能够很好地适应无线通信系统的发展需求.
  • 图  1  平衡式功率放大器的结构图

    Fig.  1  Structure diagram of balanced amplifier

    图  2  π型阻抗变换器结构图

    Fig.  2  Structure diagram of π-type impedance converter

    图  3  并发双波段3 dB定向耦合器结构图

    Fig.  3  Structure diagram of dual-band 3 dB coupler

    图  4  双波段3 dB定向耦合器电路图

    Fig.  4  Circuit diagram of dual-band 3 dB coupler

    图  5  并发双波段3 dB定向耦合器仿真结果图

    Fig.  5  Simulation results of dual-band 3 dB coupler

    图  6  并发双波段功率放大器结构框图

    Fig.  6  Structure diagram of dual-band amplifier

    图  7  双波段阻抗变换器结构图

    Fig.  7  Structure diagram of dual-band impedance converter

    图  8  双波段阻抗匹配电路图

    Fig.  8  Circuit diagram of dual-band impedance matching

    图  9  输入和输出匹配B电路仿真结果

    Fig.  9  Simulation results of dual-band input and output matching circuit

    图  10  漏极并发双波段偏置电路

    Fig.  10  Drain dual-band bias circuit

    图  11  栅极超宽带偏置电路

    Fig.  11  Gate ultra-wideband bias circuit

    图  12  平衡式双波段功率放大器版图

    Fig.  12  Layout of the balanced dual-band amplifier

    图  13  平衡式双波段功率放大器实物图

    Fig.  13  The photo of the balanced dual-band amplifier

    图  14  单音激励900 MHz处性能仿真和实测对比图

    Fig.  14  Comparison of simulation and measurement at 900MHz by one tone excitation

    图  15  单音激励2.6 GHz仿真和实测对比

    Fig.  15  Comparison of simulation and measurement at 2.6 GHz by one tone excitation

    图  16  功放特性仿真、实测对比

    Fig.  16  Comparison of simulation and measurement of power amplifier characteristics

    图  17  双音激励不同频率处增益和PAE对比

    Fig.  17  Comparison of performance by two tone excitation at different frequencies

    图  18  不同频率处VSWR仿真和实测对比

    Fig.  18  Comparison of VSWR at different frequencies: simulation and measurement

    表  1  晶体管最佳输入/输出阻抗

    Tab.  1  Transistor optimum input/output impedance

    工作频率最佳源阻抗最佳负载阻抗
    900 MHz7.1+10.2j25+23j
    2.6 GHz5.6–3.3j13.2+12.3j
    下载: 导出CSV

    表  2  同类型功率放大器性能对比表

    Tab.  2  Performance comparison of the same type of amplifiers

    参考文献工作频率/GHz隔离方法输出功率/dBm增益
    /dB
    PAE/%
    [14]/20202.6/3.5隔离结构>43.512.8/11.5>40
    [15]/20211.5/2.0>35.19.3/10<52
    [16]/20212.6/3.4中频失配>40>10>60
    本文0.9/2.6平衡结构+
    中频失配
    >43.314.3/15.6>62
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-18
  • 录用日期:  2022-03-21
  • 网络出版日期:  2022-03-21

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