基站功率放大器ADS仿真設(shè)計

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 基站時代。移動網(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，以增強(qiáng)信號覆蓋；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)計了一個應(yīng)用在1930 ~ 1990MHz 基站的功率放大器。基站功放屬于大信號放大器，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)計的難點(diǎn)。文中針對以上問題提出了單雙音信號分別輸入的仿真方法并給出了設(shè)計步驟，最后和測試結(jié)果進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果與測試結(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)用價值。

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

（1） 輸出功率。

輸出功率應(yīng)符合通信系統(tǒng)基站發(fā)射功率等級要求。鑒于目前國內(nèi)大部分GSM 系統(tǒng)基站輸出功率等級為5 級，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 級提高到3 級，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)單載波信號滿功率輸出時，IMD 小于- 26dBc, 用雙音測試法測試，當(dāng)峰值包絡(luò)功率等于最大輸出功率時，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源的內(nèi)阻共扼匹配時，信號源到放大器之間有最大的功率傳輸，此時有下式成立：

其中，PL 為負(fù)載吸收的功率，PA 為信號源的資用功率。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 時表示為：

同時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，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對所設(shè)計電路進(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)計實(shí)例中采用了飛思卡爾公司的MRF6S19060N 晶體管測試板作為功率放大器，對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、較高的性價比和高可靠性等特點(diǎn)，非常適合用于設(shè)計基站功率放大器。

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。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，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 單音信號仿真電路與仿真曲線

單音信號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 是單音信號仿真電路圖，這里頻率設(shè)定為中心頻率1960MHz.

圖5 單音信號仿真電路圖

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，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 雙音信號仿真結(jié)果

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

圖8 雙音互調(diào)仿真結(jié)果

通過對比有關(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、較高的性價比和高可靠性等要求，通過采用ADS 軟件的仿真和設(shè)計實(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，同時對仿真曲線和實(shí)際測試的特性曲線進(jìn)行了比較，比較結(jié)果表明得到的仿真曲線和實(shí)際測試曲線是一致的，表明這種設(shè)計方法和步驟是可行的。可以有效地應(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。