基于ADS的基站功率放大器仿真實(shí)現(xiàn)

為了加快功率放大器的設(shè)計(jì)并降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，文中在詳細(xì)分析基站功率放大器技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，主要論述了基站功率放大器的設(shè)計(jì)參數(shù)和仿真過程，提出了一種利用ADS 軟件進(jìn)行功放仿真和設(shè)計(jì)的方法。利用該方法對(duì)中心頻率為1960MHz 基站功放的功率增益、功率附加效率、三階互調(diào)等參數(shù)進(jìn)行了仿真和設(shè)計(jì)，同時(shí)和測試結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明利用該方法設(shè)計(jì)基站功放是可行的。

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。基站功放就是一種通過提升基站發(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。基站功放屬于大信號(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(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, 用雙音測試法測試，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：

　　而且功率增益也可直接用S 參數(shù)仿真結(jié)果得到。

（2） 功率附加效率（PAE） : 功率附加效率是指射頻輸出功率和輸入功率的差值與供給晶體管的直流功率之比：

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(jì)算公式如下：

　　或者滿足下列公式：