詳解基站功率放大器ADS仿真與測(cè)試設(shè)計(jì)

1 引言

隨著功放技術(shù)、基帶處理技術(shù)與射頻拉遠(yuǎn)等技術(shù)的重大突破，基站性能大幅度提高，現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)入了新一代3G 基站時(shí)代。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際使用過程中，由于地形環(huán)境的影響很多基站并未達(dá)到預(yù)期的效果。為了改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通常有三種方法：①添加基站，覆蓋盲區(qū)；②增設(shè)直放站，延伸并擴(kuò)大原基站信號(hào)，以增強(qiáng)信號(hào)覆蓋；③在原有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基礎(chǔ)上，通過提高基站的發(fā)射功率擴(kuò)大覆蓋范圍?；竟Ψ啪褪且环N通過提升基站發(fā)射功率來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋的解決方案。加裝基站功放后，基站輸出功率、有效覆蓋面積增加，因此覆蓋一定區(qū)域的基站數(shù)量可以減少。

文中就是在這種背景要求下，以飛思卡爾半導(dǎo)體的LDMOS 晶體管- MRF6S19060N 為例，在ADS 環(huán)境下仿真設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用在1930 ~ 1990MHz 基站的功率放大器?；竟Ψ艑儆诖笮盘?hào)放大器，輸入功率和可控衰減范圍大、三階交調(diào)抑制比要求高等都是基站功放設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。文中針對(duì)以上問題提出了單雙音信號(hào)分別輸入的仿真方法并給出了設(shè)計(jì)步驟，最后和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的一致性說明了仿真的有效性。

2 基站功率放大器的技術(shù)要求

作為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的一種解決方案，基站功率放大器（加塔頂放大器） 具有較高的實(shí)用價(jià)值。

基站功放作為基站射頻信號(hào)的輸出必須保證其輸出信號(hào)滿足移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范對(duì)空中射頻信號(hào)的所有技術(shù)要求。主要有以下幾個(gè)方面的要求：

（1） 輸出功率。

輸出功率應(yīng)符合通信系統(tǒng)基站發(fā)射功率等級(jí)要求。鑒于目前國內(nèi)大部分GSM 系統(tǒng)基站輸出功率等級(jí)為5 級(jí)，且塔頂放大器能將噪聲系數(shù)改善6dB,因此基站功放一般也按6dB 增益提高，把以前5 級(jí)提高到3 級(jí)，這樣輸出功率也有一定的改善。

（2） 增益。

基站功率放大器的增益應(yīng)能滿足不同基站功率等級(jí)需要，根據(jù)上行鏈路中塔頂放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到上下行鏈路的平衡。一般要求大于6dB.

（3） 互調(diào)失真。

根據(jù)TS GSM05. 05 要求，GSM 系統(tǒng)單載波信號(hào)滿功率輸出時(shí)，IMD 小于- 26dBc, 用雙音測(cè)試法測(cè)試，當(dāng)峰值包絡(luò)功率等于最大輸出功率時(shí)，IMD<- 26dBc.

（4） 雜散發(fā)射。

GSM 系統(tǒng)基站功率放大器的雜散發(fā)射按GSM05. 05 技術(shù)規(guī)范要求，應(yīng)滿足：0. 9kHz ~1GHz 范圍內(nèi)≤- 36dBm; 1GHz~ 12. 75GHz 范圍內(nèi)≤- 30dBm. 因此，基站功率放大器必須具備一定的濾波功能，一方面濾除上行頻帶內(nèi)的噪聲，另一方面抑制因功率放大器非線性而產(chǎn)生的諧波失真分量。

（5） 端口駐波。

基站功率放大器插入BTS 后，必須不影響原系統(tǒng)的匹配，一般要求功率放大器輸入、輸出端口駐波系數(shù)小于1. 2。

3 設(shè)計(jì)功放主要特性及仿真步驟

下面是主要仿真基站功放性能參數(shù)：

（1） 轉(zhuǎn)換功率增益G T : 當(dāng)放大器的輸入阻抗和信號(hào)源的內(nèi)阻共扼匹配時(shí)，信號(hào)源到放大器之間有最大的功率傳輸，此時(shí)有下式成立：

其中，PL 為負(fù)載吸收的功率，PA 為信號(hào)源的資用功率。用放大器的S 參數(shù)和反射系數(shù)可表示為：

其中，POU T 為射頻輸出功率，PIN 為射頻輸入功率，P INQ 為直流輸入功率。它既反應(yīng)了直流功率轉(zhuǎn)化為射頻功率的能力，又反應(yīng)了放大射頻功率的能力。

（3） 三階互調(diào)失真（IMD3） : 輸出功率的三階互調(diào)分量與基波分量之比，單位為dBc 時(shí)表示為：

同時(shí)還仿真了理想輸出功率和增益壓縮輸出功率與輸入功率的關(guān)系曲線。

在對(duì)功率放大器進(jìn)行仿真之前，需要做的準(zhǔn)備工作主要包括：確定仿真工具軟件、用于仿真的功放晶體管模型、采用的電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法等。主要仿真步驟為：①將晶體管模型庫導(dǎo)入到ADS 模型庫中； ②根據(jù)放大器的要求和晶體管特性確定靜態(tài)工作點(diǎn)；③ 進(jìn)行功率放大器的電路設(shè)計(jì)，包括阻抗匹配、偏置電路和直流厄流等；④確定仿真類型和仿真參數(shù)以及ADS 環(huán)境下的所需的一些變量；⑤對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，然后分析這些曲線并得出結(jié)論。

4 仿真實(shí)例

本次設(shè)計(jì)實(shí)例中采用了飛思卡爾公司的MRF6S19060N 晶體管測(cè)試板作為功率放大器，對(duì)本放大器的一些特性進(jìn)行仿真，其頻率范圍為1930MHz~ 1990MHz, 工作電壓為DC28V, 輸出平均功率為12W（31. 08dBm） , 增益為16dB. 該晶體管是LDMOS 功率管，具有增益高、輸出功率大以及良好的線性度、較高的性價(jià)比和高可靠性等特點(diǎn)，非常適合用于設(shè)計(jì)基站功率放大器。

4. 1 靜態(tài)工作點(diǎn)的確定

靜態(tài)工作點(diǎn)仿真主要是選擇放大器的工作狀態(tài)，確定靜態(tài)工作點(diǎn)。根據(jù)仿真步驟首先在ADS 中導(dǎo)入飛思卡爾的LDMOS 模型庫，并調(diào)出MRF6S19060N 模型。建立如圖1 所示的直流仿真電路圖。

圖1 確定靜態(tài)工作點(diǎn)電路圖

在晶體管的技術(shù)參數(shù)中，需要通過仿真和實(shí)際測(cè)試獲得柵極電壓。圖2 為MRF6S19060N 晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)特性曲線。在特性曲線中，可以發(fā)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)即圖2 中m1 點(diǎn)，V DD= 28V, I DQ = 0.606A, 從而得到柵極電壓VGS = 2. 7V, 這樣靜態(tài)工作點(diǎn)就確定了。

圖2 晶體管直流特性曲線和靜態(tài)工作點(diǎn)

4. 2 器件的穩(wěn)定性分析及增益仿真結(jié)果

放大器電路必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。因?yàn)樯漕l電路在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的趨勢(shì)。它一般取決于晶體管的S 參數(shù)和置端條件。功率放大器的穩(wěn)定性可以根據(jù)穩(wěn)定因子來判定，計(jì)算公式如下：

如果因不穩(wěn)定在輸入或輸出端口出現(xiàn)負(fù)阻時(shí)，就可能發(fā)生振蕩，則需要采用在輸入或輸出端串聯(lián)或并聯(lián)負(fù)反饋的方法使晶體管穩(wěn)定。仿真實(shí)例中采用ADS 自帶mu- load 和mu- source 公式滿足的條件來判定功率放大器穩(wěn)定性，通過仿真可以得到器件的穩(wěn)定性曲線如圖3 所示。由下圖仿真結(jié)果可見在工作頻率范圍內(nèi)mu- load 和mu- source 都大于1 滿足絕對(duì)穩(wěn)定的條件。

圖3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

基站功率放大器的增益應(yīng)能滿足不同基站功率等級(jí)需要，根據(jù)上行鏈路中塔頂放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到上下行鏈路的平衡。在高增益方案中，信號(hào)增益可用S 參數(shù)仿真dB（S （2, 1） ） 來衡量。圖4為放大器的增益仿真結(jié)果，能夠看到在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)都符合增益大于16dB 的要求。

圖4 S21（增益） 仿真結(jié)果

4. 3 單音信號(hào)仿真電路與仿真曲線

單音信號(hào)仿真是掃描功率的諧波平衡仿真，主要是得到ldB 壓縮點(diǎn)和放大器的功率附加效率曲線。圖5 是單音信號(hào)仿真電路圖，這里頻率設(shè)定為中心頻率1960MHz.

圖5 單音信號(hào)仿真電路圖

圖6 和圖7 為由以上電路原理圖仿真得到的輸入輸出功率關(guān)系和功率附加效率仿真結(jié)果，能夠看到當(dāng)輸入功率為31dBm 時(shí)，P1dB即圖6 中的m2 輸出為45. 686dBm. 圖7 給出了功率附加效率在10%~ 50%范圍內(nèi)隨著輸入功率的變化曲線。由此可知輸出功率及效率達(dá)到了基站功放的要求。

圖6 理想輸出功率和增益壓縮輸出功率曲線

圖7 功率附加效率仿真結(jié)果

4. 4 雙音信號(hào)仿真結(jié)果

雙音信號(hào)仿真是測(cè)試放大器線性度的重要手段，它是將頻率相近的射頻信號(hào)輸入到放大器，利用諧波平衡法，得出放大器輸出信號(hào)中的三階互調(diào)失真分量與基波信號(hào)的相對(duì)關(guān)系。將輸入的雙音信號(hào)頻率分別設(shè)置為1958. 75MHz. 和1961. 25MHz的正弦信號(hào)，則三階互調(diào)失真的頻率分別為1953.75MHz 和1966. 25MHz. 圖8 為雙音信號(hào)的仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可以計(jì)算出IMD3 為- 32. 68dBc.

圖8 雙音互調(diào)仿真結(jié)果

通過對(duì)比有關(guān)晶體管MRF19060N 的特性曲線和仿真結(jié)果可知，仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果是一致的，但也存在一些微小差別。這主要是由于實(shí)際的器件和仿真模型不完全相同造成的。

5 結(jié)束語

文中針對(duì)基站功率放大器的輸出功率大以及良好的線性度、較高的性價(jià)比和高可靠性等要求，通過采用ADS 軟件的仿真和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基站功率放大器的性能要求。這不但能夠擴(kuò)大基站覆蓋范圍，提高通信質(zhì)量，同時(shí)也節(jié)省了開發(fā)的成本。文中給出了仿真特性的電路圖和仿真后的特性曲線，同時(shí)對(duì)仿真曲線和實(shí)際測(cè)試的特性曲線進(jìn)行了比較，比較結(jié)果表明得到的仿真曲線和實(shí)際測(cè)試曲線是一致的，表明這種設(shè)計(jì)方法和步驟是可行的?？梢杂行У貞?yīng)用于基站系統(tǒng)來提高基站的發(fā)射功率，使原有盲區(qū)范圍變小甚至實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)覆蓋，達(dá)到改善通話質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。