0 引言

    近年來，信息產業的發展越來越迅速，而通信產業的發展，則又是信息產業中發展較為迅速的產業。目前通信產業已經走上規模化集成化的發展道路，并已成為信息產業發展中最耀眼的亮點。但隨著通信產業的快速發展，通信頻段已經成為一種稀有且昂貴的商品，當面臨頻譜效率和功率效率這兩個重要指標之間進行選擇時，工業上更趨向于選擇頻譜效率。為了在有限的頻率范圍內容納更多的通信信道，就需要采用更高效率的編碼調制方式，例如TD-LTE系統采用的BPSK(Binary Phase Shift Keying)、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)數據調制方式^[1-3]。這些調制方式采取的是幅度/相位組合調制技術，這意味著傳輸信號具有較高的功率峰均比(PAR)。而現代數字通信系統又是多載波、多信道的系統，這就需要通信系統具有良好的線性度，否則就會產生失真。而這種失真通常表現為三階互調失真(IMD3)，會在系統中引起頻譜增生(Spectral Regrowth)，將導致帶內信號干擾已調信號，使矢量幅度誤差(Error-Vector Magnitude，EVM)增大，同時導致頻譜擴展，干擾鄰近信道信號，增加誤碼率等^[4]。功率放大器是通信系統中非線性最強的器件之一，其非線性失真對通信系統將產生諸多不良影響。因此測試功率放大器的三階互調失真對于評價通信系統的非線性非常重要，同時三階互調失真也是評價一個通信系統非線性的一個重要指標。

1 功率放大器非線性理論分析

    一個系統的非線性主要來自于器件的非線性，而通信系統的非線性主要來自于功率放大器的非線性。器件或系統的非線性將產生雜散分量，所有的雜散分量都是信號的干擾源并最終導致信號失真。雜散分量分為兩種：諧波和復雜雜散分量^[5]。

1.1 輸入單頻信號時的諧波

    如果一個系統的輸出與過去的輸入信號無關，那么這個系統就是無記憶系統，即輸出電壓是輸入電壓瞬時值的函數，與之前狀態無關，即v_out(t)=f[v_in(t)]。其中v_in(t)為輸入電壓的瞬時值，v_out(t)為輸出電壓的瞬時值^[6，7]。假設該函數的各階導數均存在，則改寫成泰勒級數形式：

其中a_i為泰勒級數冪次項系數。

    如果輸入單頻正弦信號作用于一個非線性系統，輸出信號將包含輸入信號頻率的整數倍頻。即如果v_in(t)=Acoswt，帶入式(1)得到：

式(2)中包含輸入頻率的項叫做“基波”(Fundamental)”，高階項叫做“諧波”(Harmonics)，由此可以看出輸出信號是一個無窮諧波分量的復雜整體。輸入為單頻正弦信號時功放的頻譜如圖1所示。

    在窄帶通信系統中，諧波不是一個非常嚴重的問題，可被濾波器濾去。但在寬帶通信系統中，諧波可能會對通信系統產生嚴重的干擾。

1.2 輸入為雙頻信號時的雜散分量

    當輸入信號是一個幅度相等頻率相近的雙音頻率信號時，即：v_in(t)=A(cosw₁t+cosw₂t)，帶入式(1)可得： 

    由式(3)可看出，放大器的輸出信號不僅只有基波和諧波分量，另外還包含|m|+|n|階互調分量的頻率成分mω₁±nω₂，(m，n=0，±1，±2，…)。這些互調項即為互調失真(Intermodulation Distortion，IMD)。

    其中大部分諧波和互調分量可被濾波器濾除，但因為輸入信號頻率ω₁和ω₂非常接近，三階互調(IMD₃)分量中的2ω₂-ω₁和2ω₁-ω₂離基波分量很近并可能錯誤地被認為是有用信號，很難用濾波器濾除，它將導致帶內信號干擾已調信號，使已調矢量信號的幅度和相位出現偏差，同時導致頻譜擴展，干擾鄰近信道信號，增加誤碼率等。所以IMD3常常被認為是評價功率放大器非線性好壞的最重要指標。

    表征IMD₃大小有兩種方法：一是用相對功率電平表示，它是用互調產物的絕對功率電平與輸入載波功率電平的相對差值來表示，單位為dBc，即：IMD₃=P(2ω₂-ω₁)-P(ω₂)；二是用絕對功率電平表示，即以dBm為單位的互調產物電平值來表示，即：IMD₃=P(2ω₂-ω₁)。

    輸入為雙音信號時功放的頻譜如圖2所示。

2 功率放大器電路設計

2.1 功率放大器的技術指標

    本文設計是一款應用于TD-LTE基站的功率放大器，工作頻率為2 570 MHz～2 620 MHz，功放峰值功率>7 W，PAE>50%，P_out回退到1 W時IMD₃<-40 dBc。

2.2 功率放大器電路設計

    針對上述設計指標，本文采用Freescale公司的LDMOS場效應晶體管AFT27S006N進行電路設計，該晶體管的工作頻段從728 MHz～3 600 MHz，最大輸出功率為10 W，PAE為57.5%。

    采用Agilent公司的電子設計自動化軟件ADS(Advanced Design System)作為仿真設計平臺，根據上述設計指標，選取合適的靜態工作點，得到合適的偏置電壓，利用Load-Pull的大信號方法分析選擇出合適的z_source和z_load，利用z_source和z_load進行電路匹配設計。AFT27S006N設計電路和仿真結果如圖3所示。

    從仿真結果可以看出飽和功率約為39 dBm(7.9 W)，最大PAE為 60%，非線性仿真時雙音輸入頻率中心頻率為2 600 MHz，間隔為1.6 MHz，回退到1 W(30 dBm)時IMD3約為-43 dBc，整個仿真電路滿足設計指標要求。

2.3 功放電路實測

    根據AFT27S006N的設計電路進行PCB制版，在布局和布線過程中主要考慮防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性。根據板材和工作頻率精確計算所需微帶線的長度和寬度，射頻走線遵循50傳輸線設計原則同時在射頻線兩側盡量多地打上地孔以利用多層銅箔通孔并聯獲得較低的阻抗和較短的高頻電流傳輸路徑^[8]。實測電路如圖4所示。實測與仿真對比如圖5所示。

    不同頻率下IMP₃實測對比如圖6所示。實際測試時輸入頻率為2 600 MHz，間隔為1.6 MHz，從對比圖可以看出峰值功率為38.7 dBm(7.41 W)，PAE為52.8%，IMD3實測與仿真趨勢基本一致，中心頻率分別為2 570 MHz、2 600 MHz和2 620 MHz時，輸出功率1 W時IMD3均小于-40 dBc，符合設計指標要求。

3 結論

    本文闡述了非線性三階互調失真產生的理論原因及對功率放大器的重要影響，然后基于Freescale公司AFT27S006N晶體管設計了一款應用于TD-LTE基站的功率放大器，對射頻電路設計師的實踐工作具有一定的指導意義。實測結果表明，該功率放大器峰值功率達到38.7 dBm，PAE大于50%， 在2 570 MHz～2 620 MHz的工作范圍內各項性能良好，輸出功率30 dBm時IMD3均小于-40 dBc。

參考文獻

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