微波线性功率放大器设计研究

微波线性功率放大器设计研究

摘要随着4G无线通信和军事领域新标准新技术的迅速发展，对于作为微波通信系统、雷达、电子对抗、宽带频率调制发射机、数字电视发射机等系统核心部件的功率放大器来说，它不仅仅是将信号放大到足够的功率电平，以实现信号的发射、远距离传输和可靠接收，而且对带宽、输出功率、线性度、效率和可靠性方面都提出了更高的要求。功率放大器的好坏成为制约系统发展的瓶颈。因此对于微波功率放大器的研究和设计有着重要的意义。

关键词微波；线性功率放大器；设计

前言

在宽带通信系统中，如多载波调制OFDM、长期演进系统LTE，都是非恒包络调制信号，信号的峰均比很高，回退放大器会大大降低工作效率，有必要采取有源线性化技术，射频预失真技术顺势而生，它只需在射频通路增加很少的射频元器件，就可达到提高功放输出功率、降低系统功耗、节约系统成本的效果。

1 原理

美国Scintera公司推出的射频数字预失真（RF DPD）产品RFPALSC18xx 系列，为数字预失真提出了新的解决方案。RFPAL工作午射频频率上，只涉及到射频通路的信号输入和输出，比较方便和功放集成，它具有较高的集成度，电路设计简单。其最新产品SC 1894，工作频率168MHz至3800MHz，输入信号带宽25kHz至75MHz，它利用功放输出信号和输入信号计算功放非线性参数，具有自适应调节功能，与工作在SW至60 W平均输出功率的A/AB类或Doherty 放大器一起使用，最高能達到28dB。的临波道抑制和38dB的三阶交调系数改善。它采用QFN管脚封装，支持外部时钟输入，低功耗设计，最大功耗仅为990mW。SC1894所采用的射频预失真技术可补偿调幅至调幅（AM～AM）和调幅至调相（AM-PM）失真、互调失真和功放记忆效应，采用反馈信息补偿由于温差和功放老化造成的信号失真。图1a）是SC1894管脚封装及典型外围电路，b）是基于SCI894实现射频预失真的原理框图。

射频信号经过输入定向耦合器耦合出输入信号RFin，经过巴伦匹配和阻抗变换进入芯片，功放输出信号进过反馈定向耦合器和阻抗匹配后进入芯片RFFB 管脚，SC1894通过处理这两个信号对功放进行建模和预失真处理，并输出预失真处理信号，通过定向耦合器叠加至输入信号端，最后输出预失真以后的信号。

当频率高于3800MHz时，我们采用变频模式的射频预失真电路，如图2所示，输入信号从中频通过定向耦合器进入SC1894的RFIN端口，功放输出信号经过定向耦合器，下变频至3800MHz以内的中频频率，送入芯片RFFB端口，进行自适应预失真处理，输出信号RFOUT通过反向定向耦合器进入发射通路[1]。

2 单元仿真与设计

为了降低射频通路和预失真电路之间的相互干扰，SC 1894芯片射频输入信号RFIN、射频输出信号RFOUT、反馈输入信号RFFB都采用了差分输入输出的形式。因此需要在这些通路上进行差分变换，我们采用平衡一不平衡变换器Balun （Balance-unbalance Transformer）的形式进行转换：从SC1894数据手册可知，它的输入输出阻抗并不是标准的50Ω，需要对Balun后的差分信号进行阻抗匹配设计[2]。

3 电路设计与实现

3.1 原理图设计

我们在原理图上增加了一些数字接口，这样就可以通过SPI接口对SC 1894芯片进行状态监测和管理，同时在每一个射频通道加入了兀型衰减网络，通过调整各通路信号的功率，达到最好的预失真效果。

3.2 PCB电路设计

为了更好地发挥SC 1894的性能，提高功放非线性改善效果，降低杂散发射，需要仔细规划PCB设计。Scintera公司推荐的PCB设计流程如下：①规划印制板层数；②设计射频通道，选择关键射频器件，优化各端口的功率电平，为了减少传输损耗，SC1894芯片放置在离功放模块较近的位置；为了降低寄生效应，尽量选择0402.0201封装的元器件作为匹配电路；③设计供电电源和去耦电容；

④设计参考时钟；⑤设计控制信号、模拟信号等非关键电路。

4 测试及结果分析

4.1 放大器模式测试

SC 1894芯片采用放大器工作模式时ACPR指标能有10dB以上的改善，效果较为明显；采用变频模式时ACPR指标能有4dBc左右的改善，效果较差。通过技术支持交流，发现存在如下问题：①输入耦合、输出耦合器的耦合度不同，导致芯片的入口电平不符合要求。②增益分配不合适，导致了反馈通道产生了非线性。③反馈通道变频后采用了40MHz带宽的滤波器，向反馈信号需要采集至少5倍信号带宽的信号，无法采集5阶交调分量。

电路排版过程中数字电源和模拟电源共用、数字地和模拟地共用，一导致数字信一号和模拟信号相互干扰。

针对以上问题我们对电路进行了改版设计并对电路进行了测试，ACPR值达到10dB的改善效果。

5 结束语

本论文对微波功率放大器的基本技术指标做了介绍，对功放的工作状态进行了理论分析，对功放的非线性特性进行了详细的介绍，针对问题我们对电路进行了改版设计并对电路进行了测试，ACPR值达到10dB的改善效果。

参考文献

[1] 王惠功.非线性微波毫米波电路分析与设计[M].北京：北京邮电学院出版社，1991：6.

[2] 叶敏.数字预失真参数提取技术及硬件实现[D].宁波：宁波大学硕士论文，2011.