0 引言

    無(wú)線通訊系統(tǒng)中，射頻功率放大器(Power Amplifiers，PA)是影響手持移動(dòng)終端續(xù)航時(shí)間的重要因素之一，尤其是LTE-A移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)功放的線性度和效率提出了更高的要求。LTE-A是LTE-Advanced的簡(jiǎn)稱，是LTE的演進(jìn)。LTE-A協(xié)議采用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，頻譜效率高，峰值平均功率(PAPR)比較大。例如LTE-A QPSK調(diào)制信號(hào)，帶寬為10 MHz，資源塊(Resources Block)數(shù)為12 RB時(shí)，其信號(hào)PAPR可達(dá)7 dB以上^[1]。由于LTE-A系統(tǒng)信號(hào)的高PAPR，功率放大器主要工作在遠(yuǎn)離最高線性輸出功率的功率回退區(qū)域，從而導(dǎo)致功放的平均效率降低，大大降低了移動(dòng)終端的使用時(shí)長(zhǎng)。

    目前，已有很多關(guān)于功放平均效率改善技術(shù)的研究。具有代表性的技術(shù)如包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)(EER)^[2]和包絡(luò)跟蹤技術(shù)(ET)^[3]，均通過(guò)附加的電源電壓調(diào)制模塊根據(jù)信號(hào)包絡(luò)調(diào)節(jié)不同輸入信號(hào)下電源電壓大小，以此提高功放的平均效率；但是其附加的控制電路增加了芯片的尺寸，增加了功放的復(fù)雜度和成本。

    因此，本文介紹了一種帶有高功率模式(High Power Mode，HPM)和低功率模式(Low Power Mode，LPM)兩種功率模式的功率放大器來(lái)提高功率放大器在低功率輸出區(qū)域的效率。兩種功率模式分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的線性功率放大器，并通過(guò)開(kāi)關(guān)切換實(shí)現(xiàn)模式切換。開(kāi)關(guān)采用簡(jiǎn)單實(shí)用的pHEMT工藝設(shè)計(jì)，且該開(kāi)關(guān)工藝可以與InGaP/GaAs HBT工藝在同一個(gè)晶圓上實(shí)現(xiàn)。所以，通過(guò)這兩種工藝的應(yīng)用可將雙功率模式功放單芯片實(shí)現(xiàn)，減小功放的尺寸。另外，為了簡(jiǎn)化射頻前端，還將采用寬帶化設(shè)計(jì)。

1 功放的設(shè)計(jì)與分析

    基于以上的設(shè)計(jì)考慮，一個(gè)電源電壓為3.4 V，工作在2.3～2.69 GHz范圍內(nèi)的雙功率模式寬帶功率放大器原理圖如圖1所示。圖1所示功放原理圖，其中陰影部分為單芯片集成（MMIC）部分，只有輸出匹配和電源供給通過(guò)片外實(shí)現(xiàn)，控制電路和偏置電路也與功放集成在同一個(gè)芯片(die)上。

    圖1所示功放架構(gòu)，HPM鏈路由SW1、Q1、Q2和Q3構(gòu)成；LPM鏈路由SW2、SW3、Q4和Q5構(gòu)成。高功率模式時(shí)，功放級(jí)Q1、Q2和Q3工作，功放級(jí)Q4和Q5關(guān)閉，射頻開(kāi)關(guān)SW1打開(kāi)，射頻開(kāi)關(guān)SW2和SW3關(guān)閉。低功率模式時(shí)，功放級(jí)Q1、Q2和Q3關(guān)閉，功放級(jí)Q4和Q5工作，射頻開(kāi)關(guān)SW1關(guān)閉，射頻開(kāi)關(guān)SW2和SW3打開(kāi)。功放和開(kāi)關(guān)的開(kāi)與關(guān)分別由偏置和開(kāi)關(guān)控制電路控制。

1.1 高和低功率功放設(shè)計(jì)

    功放的HPM鏈路通過(guò)一個(gè)三級(jí)功放實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。其中功放第一級(jí)要為后級(jí)提供足夠的驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)使第一級(jí)偏置在A類以提高整個(gè)功率放大器的線性度及提供高增益，由于第一級(jí)輸出功率較小，發(fā)射極面積大小為300 μm²；功放第二級(jí)為功放驅(qū)動(dòng)級(jí)，主要使輸出級(jí)能獲得足夠的功率輸出，輸出級(jí)偏置于淺AB類，驅(qū)動(dòng)輸出該級(jí)發(fā)射極面積大小為840 μm²；第三級(jí)主要起功率放大的作用，偏置在深A(yù)B類工作狀態(tài)以提高功放效率，由于工作電流大，其發(fā)射極面積大小為4 500 μm²。為了實(shí)現(xiàn)寬帶，功放的第一級(jí)和第二級(jí)都應(yīng)用了RC負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，該負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)可以增加功放的增益平坦度，并一定程度降低功放管的非線性影響。另外，二三級(jí)之間采用了兩級(jí)LC的寬帶高效匹配結(jié)構(gòu)。

    功放的LPM鏈路通過(guò)一個(gè)二級(jí)功放實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。其中功放第一級(jí)要提供增益和為后級(jí)提供足夠的驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)使第一級(jí)偏置在AB類，發(fā)射極面積大小為300 μm²；第二級(jí)主要起功率放大的作用，其偏置在深A(yù)B類工作狀態(tài)以提高功放效率，其發(fā)射極面積大小為540 μm²。為了增加帶寬，功放的第一級(jí)應(yīng)用了RC負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。

    功放的HPM輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用了兩級(jí)LC串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)提高輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬；另外，為了能在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得較高諧波抑制，提高功放的效率和線性度，在功放輸出的集電極添加了兩個(gè)并聯(lián)的諧波抑制網(wǎng)絡(luò)。LPM的目標(biāo)是工作在功放線性回退區(qū)，例如功率回退10 dB。兩種模式分別設(shè)置最優(yōu)阻抗，因此在功率回退的時(shí)候能提高功放效率。

1.2 控制電路設(shè)計(jì)

    圖1中所示控制電路包括：電壓基準(zhǔn)電路、邏輯控制電路和功放偏置電壓控制電路。

    電壓基準(zhǔn)電路如圖2所示，通過(guò)該電路可為功放的偏置電路提供偏置電壓Vreg。該基準(zhǔn)電路為一個(gè)簡(jiǎn)單的鏡像電路，通過(guò)晶體管Q6、Q7和電阻R可為偏置電路提供基準(zhǔn)電壓Vreg；該電路可通過(guò)使能端Ven的電位高與低來(lái)控制基準(zhǔn)電路的工作與關(guān)閉；當(dāng)基準(zhǔn)電路關(guān)閉也意味著整個(gè)功放處于關(guān)閉狀態(tài)。

    圖3所示為功放模式切換電路，包括邏輯控制電路和功放偏置電壓控制電路。圖3(a)為邏輯控制電路，通過(guò)該電路可以切換功放的功率模式；V_mode接低電平時(shí)，HPM點(diǎn)為高電平，LPM點(diǎn)為低電平，功放打開(kāi)高功率模式通道；V_mode接高電平時(shí)，HPM點(diǎn)為低電平，LPM點(diǎn)為高電平，功放打開(kāi)低功率模式通道。圖3(b)為功放偏置電壓控制電路，通過(guò)該電路可控制功放偏置電路的開(kāi)與關(guān)；當(dāng)高功率模式時(shí)，V_reg=V_{Bias_HPM}，V_{Bias_LPM}為低電平，高功率鏈路偏置打開(kāi)，低功率電路偏置關(guān)閉；當(dāng)?shù)凸β誓Ｊ綍r(shí)，V_reg=V_{Bias_LPM}，V_{Bias_HPM}為低電平，高功率鏈路偏置關(guān)閉，低功率電路偏置打開(kāi)。

2 功率放大器的實(shí)現(xiàn)

    本文設(shè)計(jì)的雙功率模式寬帶功率放大器使用Win Semiconductors公司的InGaP/GaAs HBT和AlGaAs/InGaAs(D-Mode)pHEMT工藝進(jìn)行了成功流片。如圖4所示為流片之后的MMIC芯片照片，芯片die的尺寸大小為750 μm×950 μm。該芯片與基板粘合在一起后，最終制作完成的功放芯片的大小為3 mm×3 mm。

    本文設(shè)計(jì)的MMIC功率放大器，如圖1陰影部分所示，只有輸出匹配和電源供給通過(guò)片外實(shí)現(xiàn)，控制電路和偏置電路也與功放集成在同一個(gè)芯片die上。由于本文所設(shè)計(jì)功放集成度較高，在版圖布局時(shí)，射頻通路與直流通路分開(kāi)布局，功放的HPM、LPM和控制電路分區(qū)域布局；射頻與直流通路分開(kāi)布局，可有效保證功放的性能。

3 功率放大器測(cè)試結(jié)果與分析

    為了對(duì)芯片性能進(jìn)行測(cè)試，將通過(guò)FR_4板材的PCB測(cè)試板搭載該芯片進(jìn)行性能測(cè)試。功率放大器的工作電壓為3.4 V，使用安捷倫的網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C測(cè)得功率放大器HPM和LPM的小信號(hào)S參數(shù)S11和S21如圖5所示。HPM時(shí)，靜態(tài)電流大小為87 mA，其中從第一級(jí)到第三級(jí)靜態(tài)電流分別為15 mA、26 mA和48 mA；在2.3～2.69 GHz頻段范圍內(nèi)S21超過(guò)了29 dB；參數(shù)S11在頻率2.3～2.69 GHz之間也全都低于-10 dB。LPM時(shí)，靜態(tài)電流大小為20 mA，其中從第一級(jí)和第二級(jí)靜態(tài)電流分別為8 mA和12 mA；在2.3～2.69 GHz頻段范圍內(nèi)S21超過(guò)了17 dB，在2.5 GHz處S21達(dá)到最高值20 dB；參數(shù)S11在頻率2.3～2.69 GHz之間也全都低于-8 dB。以上說(shuō)明小信號(hào)參數(shù)良好，在高功率模式下實(shí)現(xiàn)了小信號(hào)的寬頻帶。

    使用安捷倫的信號(hào)發(fā)生器N5182A和信號(hào)分析儀N9030A搭建大信號(hào)測(cè)試平臺(tái)；將功率放大器的電源電壓設(shè)為3.4 V，調(diào)制信號(hào)源為L(zhǎng)TE-FDD-10M-12RB時(shí)，信號(hào)頻率分別在2.3 GHz、2.5 GHz和2.69 GHz條件下，分別測(cè)得該功率放大器在頻點(diǎn)2.3 GHz、2.5 GHz和2.69 GHz處的增益（Gain）、輸出功率（Pout）、功率附加效率（PAE）、E-UTRA_ACLR1和UTRA_ACLR1如圖6、圖7、圖8和圖9所示。E-UTRA_ACLR1和UTRA_ACLR1都是頻帶內(nèi)的信號(hào)功率與其由于非線性而泄露到其他頻帶內(nèi)的功率的比值。它們表征著PA對(duì)輸入信號(hào)放大后對(duì)其他頻段的干擾是否嚴(yán)重，其中，E-UTRA_ACLR1代表著4G對(duì)4G（即LTE對(duì)LTE）的干擾，UTRAACLR1代表著4G對(duì)3G的干擾（如LTE對(duì)WCDMA）。

    圖6為功放工作在HPM和LPM時(shí)的AM-AM圖。從圖中可知，在HPM時(shí)，增益(Gain)在頻帶內(nèi)都達(dá)到28.5 dB，滿足4G系統(tǒng)指標(biāo)；從圖中還可以看出HPM的功率輸出P1dB已經(jīng)超過(guò)了28 dBm，實(shí)現(xiàn)了功放高線性度，滿足LTE_A的最大輸出功率要求，這說(shuō)明輸出匹配狀態(tài)良好。在LPM時(shí)，頻帶內(nèi)增益(Gain)在16.5～20 dB之間波動(dòng)，但相比仿真結(jié)果下降接近1 dB；從圖中還可以看出LPM的功率輸出P1dB已經(jīng)超過(guò)了12.5 dBm，達(dá)到了目標(biāo)設(shè)定最大線性輸出至少11 dBm的要求。

    圖7為功放工作在HPM和LPM時(shí)的功率附加效率（PAE）圖。從圖中可知，在HPM時(shí)，功放的最高效率在頻帶內(nèi)都達(dá)到了30%，其中在2.5 GHz處的最佳效率達(dá)到38%；在LPM時(shí)，功放的最高效率在頻帶內(nèi)都達(dá)到了12%；其中在輸出功率為10 dBm時(shí)，LPM相對(duì)于HPM效率提高至少6%；由此可知，雙功率模式功放可以有效提高功放在功率回退區(qū)域的效率。

    圖8為功放工作在HPM和LPM時(shí)的線性度（E-UTRA_ACLR1）圖。從圖中可知，在HPM時(shí)，輸出28 dBm時(shí)，頻帶內(nèi)線性度E-UTRA_ACLR1全低于-35 dBc，可知在HPM時(shí)滿足4G系統(tǒng)的線性指標(biāo)E-UTRA_ACLR1必須小于-30 dBc的要求。在LPM時(shí)，輸出12.5 dBm時(shí)，頻帶內(nèi)線性度E-UTRA_ACLR1全都低于-35 dBc，可知在功率回退到12.5 dBm以下時(shí)功放可切換為L(zhǎng)PM。

    圖9為功放工作在HPM和LPM時(shí)的線性度（UTRA_ACLR1）圖。從圖中可知，在HPM時(shí)，輸出28 dBm時(shí)，頻帶內(nèi)線性度UTRA_ACLR1全都低于－36 dBc，可知在HPM時(shí)滿足4G系統(tǒng)的線性指標(biāo)UTRA_ACLR1必須小于-33 dBc的要求。在LPM時(shí)，輸出12.5 dBm時(shí)，頻帶內(nèi)線性度UTRA_ACLR1全都低于-36 dBc。

    表1為本文所設(shè)計(jì)功放的HPM與同類型功率放大器研究與產(chǎn)品的主要性能對(duì)比。由表對(duì)比可知本章所設(shè)計(jì)功放在達(dá)到寬帶的同時(shí)，功放還獲得了較高的線性度和效率。此外，對(duì)比文獻(xiàn)[6]中國(guó)際大廠商Avago Technologies的產(chǎn)品，本章所設(shè)計(jì)功放性能已經(jīng)達(dá)到產(chǎn)品級(jí)，只是相比單頻帶應(yīng)用功放效率稍低，有很明顯的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論

    基于InGaP/GaAs HBT和AlGaAs/InGaAs(D-Mode)pHEMT工藝，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于LTE-A的寬帶功率放大器，封裝芯片大小為3 mm×3 mm，并利用雙功率模式改善功放功率回退區(qū)域的效率。芯片測(cè)試結(jié)果表明，該芯片同時(shí)滿足4G移動(dòng)通信系統(tǒng)頻段Band 38、Band 40、Band 41和Band 7的應(yīng)用；功放的雙功率模式也能有效地提高功放在功率回退區(qū)域的效率；此外，本文實(shí)現(xiàn)的射頻功率放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，能有效簡(jiǎn)化射頻前端應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[6] Avago Technologies.ACPM-5007 Datasheet[EB].

作者信息：

黃  亮，李嘉進(jìn)，章國(guó)豪

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州510006)