基站功率放大器阻抗匹配

1 引言

射频功率放大器是现代通信的关键设备之一，其重要性得到越来越多的重视。当它处于基站无线收发机的最后一级时，对于基站整个性能起着十分关键的作用。它的输出功率决定了通信距离的长短，有效覆盖面积的大小等，其效率大小影响着电池的消耗程度和使用时间[1]。

基站功率放大器要求极高的工作频率和较大的输出功率，与工作在小信号状态下的放大器在很多方面都存在不同。在小信号放大器设计中，可以使用输入共轭匹配和输出共轭匹配等方法，而在大信号状态下工作时，由于进入非线性区，功率管的最佳负载阻抗会随着输入信号的增加而改变。因此小信号放大器设计的一些方法和准则在功率放大器设计就不再适用。本文采用负载牵引法来进行输入输出匹配电路的设计。其原理是放大器在给定的一个大信号电平激励下，连续改变负载来绘制等输出功率曲线，帮助找到最大输出功率时的最佳的负载值[2]。

本文使用了Aglient公司的ADS仿真软件，运用负载牵引法设计仿真并且设计了一款基站射频功率放大器，采用的是Freescale半导体的LDMOS晶体管MRF282S。

设计参数如下：频率：2GHz；输出功率：6.5W；输出效率：>35%；三阶交调系数IMD3：<-26dBc。

2 阻抗匹配的理论基础和重要指标

要实现功率放大器的最大功率传输，需要在源和负载之间插入一个无源网络来实现源阻抗和负载阻抗的匹配，称之为匹配网络。在功率放大模块的设计中，阻抗匹配网络不合适将使电路不稳定，同时有可能出现输出功率减小、效率降低和非线性失真加大等问题。所以我们在设计匹配网络时，不能仅仅从减少功率损耗方面来进行设计，还要使其同时满足匹配、谐波衰减、带宽、驻波、线性度及实际尺寸等多项要求。通常认为，匹配网络的用途就是将给定的阻抗值变换成更合适的阻抗值，可以通过集总参数元件或者分布参数元件来实现。

2.1 集总参数元件匹配

集总参数元件匹配是指用电容、电感和电阻等分立元件组成的匹配网络，易于分析，适合GHz频段的低端以及更低的频段使用。一般来说，有双元件、T型、π型等几种匹配网络。双元件匹配网络即采用两种电抗性元件将负载阻抗变换为输入阻抗，优点是成本低，可靠性好；缺点是带宽较窄。而T型和π型匹配网络就是在双元件匹配网

基站功率放大器的阻抗匹配

崔庆虎 刘平 任晓敏

（郑州大学 信息工程学院，河南 郑州 450001）

摘 要：为了改善功率放大器在大信号、高频率情况下的工作性能，采用了高级设计系统进行基站功放的优化。针对基站功放输出功率小不能发挥预期效果的情况，提出了一种新的基站功放设计方法，并且对中心频率为2000MHz基站功放的各种参数进行了仿真优化，从而增大了基站的覆盖范围。通过同实际结果相比较验证了这种方法的有效性。

关键词：功率放大器；基站；负载牵引法；阻抗匹配；高级设计系统

中图分类号：TN722 文献标识码：A 文章编号：1671-8089（2012）03-0104-04

Impedance Matching of Base Station Power Amplifi er

CUI Qing-hu LIU Ping REN Xiao-min

（College of Information Engineering,Zhengzhou University , Henan 450001,China）Abstract:In order to improve the performance of power amplifi er working at big signal and high frequecy, this paper optimizes the effect of base station power amplifi er with advanced design system. According to the situation that the base station power amplifi er doesn't have enough output power and it can't play the expect effect, we put forward a new method to design base station power amplifier, and then uses this method to simulate some parameters of a base station power amplifier with a center frequency of 2000MHz, to increase the coverage of the base station. Comparing with the actual results, the simulation results show that this method is very effective.

Key words:power amplifi er (PA); base station; load_pull; impedance matching; advanced design system (ADS)

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络中添加了一个节点，通过降低品质因数来获得较宽的带宽[3]。

2.2 分布参数元件匹配

在更高的频段时，工作频率越高，相应的工作波长就越小，分立元件的寄生效应就变得愈加的明显。这时我们需要用微带线或者微带短截线等分布参数元件来代替分立元件组成匹配网络，才能避免寄生效应的影响。微带传输线的一般等效原则是：开路短截线等效电容，短路短截线等效电感。

3 设计过程

本次设计采用了Freescale半导体的LDMOS晶体管MRF282S，该晶体管为N沟道增强型横向MOSFET，主要工作在A类和AB类PCN和PCS基站，最高工作频率可以达到2600MHz，适合于设计FM、TDMA、CDMA和多载波放大器的设计。另外选择LDMOS功放管是因为其具有增益大、输出功率高、线性度良好、低成本、高可靠性等等优点，非常适合用来设计基站功放[4]。

3.1 负载牵引法匹配

图1 匹配前的电路

图1给出的是确定了静态工作点以及稳定性分析过的放大器原理图。仿真后发现其处在AB类工作状态，并且在整个工作频段内都是稳定的。下面我们使用负载牵引法来进行阻抗匹配。

首先给放大器一个大信号激励，在合适的计算范围内不断地改变负载阻抗，绘制出每一个负载值的等输出功率曲线，然后就可以寻找到最大输出功率时的最佳的负载值（图2）。

图3 负载牵引结果

图3给出了实现功率放大器最大功率附加效率时的负载值m1和最大输出功率时的负载值m2。在这里我们要选择impendance=m2=1.417+j0.304作为输出阻抗，以便达到最大输出功率。

在得到最佳负载值之后，在Smith原图上进行阻抗匹配。本文采用的方法是集总参数元件和分布参数元件共同组成的混合匹配网络，通常包括几段串联的传输线以及间隔配置的并联电容。这种结构在实用中非常常见，因为改

变电容的值以及电容在传输线上的位置可以得到非常宽的

图2 负载牵引仿真原理图