射频功率放大器模块的设计与实现

摘要：提出了功率放大器设计中的两个关键问题，结合GSM直放站功率放大器模块的工程实例，详细分析了该功率放大器模块的设计过程。最后给出该模块样机的实测结果，进一步验证了设计方法的有效性。

关键词：功率放大器;射频电路;线性化　

引言

随着现代数字移动通信技术的蓬勃发展，用户对无线通信设备的性能要求越来越高，实现在各种环境中的稳定、高速的数据传输是未来移动通信系统研究者的主要目标之一。射频功率放大器是发射机的末级，它将已调制的频带信号放大到所需要的功率，保证在覆盖区域内的接收机可以收到满意的信号电平，但不能过于干扰相邻信道的通信，同时又要尽量地保持放大后的大功率信号不失真畸变。这些不同方面的要求使得功率放大器的设计者要面面俱到地考虑到很多指标的平衡，功率放大器的设计也成为无线通信系统设计过程中的关键步骤之一。

功率放大器设计中的两个重要问题

电路设计中的电磁兼容(EMC)措施
射频电路工作在很高的频率上，在元件引脚或者电路引线上会产生一定的寄生参量。而射频功率放大器中，在高功率、大电流的环境下，寄生参量对于系统的影响大大增加，另外，引线电感及走线电感等又是引起高频辐射干扰的重要因素，这些功率不小的电磁干扰(EMI)可能会使功率放大器本身、电源部分或者系统的其他部分的性能大幅下降，很多情况下会直接影响系统的多项主要指标。

为了尽可能减小电磁干扰的影响，需要在电路设计及PCB设计中采取电磁兼容(EMC)措施，这样做也能有效地减少后期调试工作量，增加产品的可靠性和一致性，提高产品性能。

我们在工程中采取的措施主要有：电源线应尽量粗，器件电源或偏置网络都应该多加去耦电容和扼流电感，并选用高频性能好的器件，从而增加电源的稳定性，减少电源波动对于器件的影响；PCB设计要合理布局，功率放大器部分应该与其他低功率或者数字部分尽量远离，并在中间加装金属隔条、屏蔽罩或微波吸附材料，避免功率放大器与其他部分的相互辐射干扰；PCB设计中，在无元件、线路经过的位置多加保护地，并多加金属化通孔造成多点接地；射频走线尽量短，严格控制线头、引脚长度，匹配网络应尽量靠近需要匹配的器件，等等。实践证明，这些措施都能够很好地减少电磁干扰，改善电路性能。

功率放大器的线性化
线性度是射频功率放大器的一个非常重要的指标，在移动通信设备中，功率放大器的非线性失真往往会造成信号畸变失真以及引起邻道干扰。所以，移动通信设备对功率放大器的线性度提出了很高的要求。

功率放大器非线性失真特性主要有两种：第一种为非线性的增益特性，即输出信号与输入信号的功率之间不是线性关系，对应于单频信号的输入，将会产生谐波失真；而对于双频信号的输入，除谐波外，还会产生交调分量，引起交调失真；另一种为非线性的相移特性，即输入输出的相位差随功率不同而改变，结果会产生调幅/调相(AM/PM)效应。这两种非线性对于采用非恒包络调制方式的数字移动通信系统，不但会产生带内失真，还会产生带外频率扩展，引起对邻近信道的干扰。

一般对功率放大器的线性度的衡量有谐波抑制度、三阶交调抑制度等指标：当放大器输入载波频率为f₀的单频信号时，由于器件的非线性失真，会产生频率为mf₀(m为自然数)的谐波，如图1(a)所示，谐波输出功率与基波输出功率之差即为谐波抑制度；当放大器输入频率间隔不大、载波频率分别为f₁和f₂的信号时，在放大器输出端除了载波频率为f₁和f₂的信号外，还形成了频率为±mf₁±nf₂(m、n均为自然数)的交调产物，如图1(b)所示，其中频率为2f₁-f₂和2f₂-f₁的两个频率分量功率最大，称为三阶交调产物，三阶交调产物与输出载波的功率之差即为功率放大器的三阶交调抑制度。三阶交调产物频率非常靠近所用的载频f₁和f₂，一般无法通过滤波等方式消除，只能在放大器的设计过程中加以改善。因此，抑制三阶交调产物，提高三阶交调抑制度是提高功率放大器线性度的重点。

图1　功率放大器的非线性失真　　

目前国内外对于射频功率放大器的线性化技术已经进行了大量的研究工作，研究热点主要集中在前馈法、预失真法、负反馈法等几种新技术上。随着DSP、FPGA等技术的快速发展，这几种功放线性化技术必将逐渐完善、普及而成为未来的发展方向，但由于目前成本和技术的原因，应用尚不广泛，鉴于篇幅在此就不作详述。在实际工程中，功率回退法这种简单有效的技术一直有着十分广泛的应用，下文提到的GSM直放站功率放大器模块就采用了功率回退法来改善线性度。

功率回退法即选用功率较大的放大管作小功率用途，牺牲直流功耗来提高功放的线性度，具体来说就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点向后回退一些，工作在远小于1dB压缩点的功率上，使功率放大器脱离饱和区，进入线性工作区，从而改善放大器的线性度。这种方法的优势在于简单易行，不需要增加任何附加设备，且可靠性高；其缺点是功率放大器的效率因此有所降低，器件成本提高，且对线性度的改善程度也比较有限。因此，在线性度要求很高的场合，完全依靠功率回退是不够的，必须与其他线性化措施结合起来，在线性度要求稍低的应用中，功率回退法是一种较为合适的线性化措施。

GSM直放站功率放大器模块设计实例

一般在工程中，功率放大器模块的设计工作重点在于匹配网络的设计。考虑指标要求及成本，决定放大级数、每级的增益分配及所采用的器件，之后分别设计每一级的匹配电路、电源、级间匹配等细节，最后用CAD工具仿真、设计印制电路版，是我们通常采取的设计流程。

(1)
表1　GSM直放站功率放大器模块主要指标要求

(2) 根据设计目标，该功率放大器模块整体功率增益为55dB，输出功率为39dBm。一般情况下，多数厂家提供的场效应管设计的放大器增益不超过20dB，常用的集成功率放大芯片的功率增益也在30dB左右，加上设计中应留出的余量，我们决定采用三级放大的结构。

(3) 第一级放大器选用Gali-5单片放大器，Gali系列封装体积小，匹配网络简单方便，可靠性高，器件的线性度很好，它可以提供19dB左右的功率增益；第二级选用MHL9838集成功率放大芯片，该芯片内部集成了匹配网络，因此设计简便，可靠性也非常高，用做推动放大级性能十分理想，该模块可以提供31dB左右的功率增益。

整个系统的关键在于末级放大。末级放大器由于输入功率很大，其非线性度对于信号的影响是巨大的。在这个多级功放模块中，由于前两级可靠性高，最后一级的性能对于系统的性能起着决定性的作用。实际上，移动通信系统中非线性放大器对发射信号的影响，与调制方式密切相关，GSM制式采用GMSK调制方式，是一种恒定包络的调制方式，对于线性度的要求较采用CDMA制式的系统低一些，用功率回退法这种线性化技术可以满足指标要求。综合考虑之后，选用Freescale公司的MRF9060L功率放大管，它可以提供17dB功率增益、60W(略大于47dBm)的输出功率以及此输出功率下-31dBc的三阶交调抑制度，采用功率回退之后，三阶交调抑制度可以符合指标需求。

三级放大器级联得到的功率增益约67dB左右，为达到55dB的指标要求，在第一级放大器之前采用π型衰减器对信号进行衰减。π型衰减器是由三个电阻组成的衰减器，性能可靠，设计调试十分简单，而且能够非常有效的吸收后级电路的反射波，可以改善级间匹配和电路驻波比，在射频电路中应用十分广泛。这里把它放在第一级之前，配合隔离器可以得到很好的输入驻波比。

最后设计模块电路原理图如下图2：

图2　GSM直放站功率放大器模块电路原理图

(4) 原理图设计完成后，就可以根据原理图进行印制电路版图的设计，之后组装出样机。样机调试完成后，使用射频仪器实测主要指标如下：

表2　GSM直放站功率放大器模块样机主要指标测试结果

使用频谱仪实测其三阶交调抑制度和带内波动的显示结果如图3。从图上可以看到，该功率放大器样机的三阶交调抑制度达到-48.47dBc，带内波动为0.389dB。均大大好于最初设计指标要求，取得了非常满意的性能。

图3　GSM直放站功率放大器模块部分指标实测结果

结束语

在射频功率放大器的设计中，电磁兼容和线性化是设计者应予以重视的两个关键问题，本文对于这两个问题的原理和具体实现措施进行了探讨，并详细分析了GSM直放站功率放大器模块这个工程实例的具体设计过程。通过样机的实测结果证明，文中的论述方法是具体可行的，可供射频功率放大器设计工程师作为参考。