《电子技术应用》
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基于LC巴伦的伪差分功率放大器设计
2020年电子技术应用第8期
彭 林,李嘉进,梁钊铭,章国豪
广东工业大学 信息工程学院,广东 广州510006
摘要: 为了在局部热点区域实现系统容量的成倍提升,需要能支持高频、大带宽工作的无线网络基础设施进行超密集组网,采用GaAs HBT工艺设计出适用于5G微基站的4.8~5.0 GHz三级高增益、大输出功率放大器。利用伪差分结构来抑制接地寄生电感的影响,通过片外低损耗LC巴伦完成单端与差分对之间的转换,结合有源自适应偏置网络与RC负反馈电路,并应用宽带匹配与预失真补偿的方法,基于ADS仿真验证了在中心频点4.9 GHz处可实现35.8 dB的功率增益与33.5%的峰值功率附加效率,且工作频带内能输出不低于35 dBm的饱和功率,可满足典型应用场景对网络信号无缝覆盖的要求。
中图分类号: TN722
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.200302
中文引用格式: 彭林,李嘉进,梁钊铭,等. 基于LC巴伦的伪差分功率放大器设计[J].电子技术应用,2020,46(8):9-12.
英文引用格式: Peng Lin,Li Jiajin,Liang Zhaoming,et al. Design of pseudo-differential power amplifier based on LC balun[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(8):9-12.
Design of pseudo-differential power amplifier based on LC balun
Peng Lin,Li Jiajin,Liang Zhaoming,Zhang Guohao
School of Information Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China
Abstract: In order to greatly improve the system capacity in local hotspots, the wireless communication infrastructure that can support high-frequency and wideband operation is required for ultra-dense networking. A 4.8~5.0 GHz three-stage high-gain and large-output power amplifier is designed using GaAs heterojunction bipolar transistor(HBT) process to be targeted for 5G microcells. The pseudo-differential structure is adopted to suppress the influence of ground parasitic inductance, while the conversion between single-ended and differential pairs is completed by off-chip low-loss LC balun. In conjunction with active adaptive bias network and RC negative feedback circuit, meanwhile applying the methods of wideband matching and predistortion compensation, ADS(Advanced Design System) simulations verified that the proposed power amplifier can achieve 35.8 dB power gain with 33.5% peak power-added efficiency at a center frequency of 4.9 GHz, and deliver not less than 35 dBm saturated output power in the operating band, which can meet the requirements of seamless coverage of network signals in typical application scenarios.
Key words : balun;pseudo-differential; radio frequency power amplifier(RFPA);adaptive bias;5G microcell

0 引言

    作为新一代移动通信技术,兼具高数据率、低时延与高可靠性的商用5G网络将逐步渗透到社会各个领域,以用户为中心构建全方位的信息生态系统,可满足未来海量设备接入通信的需求。毫米波技术和Sub-6 GHz同属于3GPP(3rd Generation Partnership Project)规定的5G标准,但由于毫米波的波长较短,所致其信号传输衰耗大,易受环境的影响;Sub-6 GHz则是LTE(Long Term Evolution)频段向上延续而来的带宽资源,支持广域覆盖、高移动性服务等业务场景,一定程度上能够利用现有的基站设施从而简化5G部署[1]。按照规划,国内蜂窝网络运营商将在3.3~3.6 GHz以及4.8~5.0 GHz上进行5G的初期组网。

    功率放大器作为无线通信系统中射频前端发射通路的核心组件,是将已调制的频带信号放大到所需要的功率值,并馈送到天线上辐射出去。在微基站应用中,由于硅基CMOS工艺存在耐压能力不足、衬底损耗和Knee电压较大等物理缺陷而被排除;宽禁带GaN器件虽然能在更高的工作电压下提供更优的功率密度,但目前受限于生产成本、良率等因素暂不是最佳选择,所以未来一段时间内仍然以GaAs功放为主,因其具备经市场验证的可靠性、较高性价比和完整产业链的优势。为了应对城区高用户密度、大数据流量和众多接入点,同时要解决更高工作频率下所带来愈发严重的寄生效应,密集架设的微基站群如何在保持一定带宽的前提下,依然实现高增益、大功率输出的指标成为一项难题。本文基于2-μm InGaP/GaAs HBT工艺设计了一款4.9 GHz三级伪差分功率放大器,能有效减轻因芯片内部、封装与测试板接地时附带的寄生电感对系统性能产生的不利影响,并通过片外LC巴伦实现单端与差分对之间的转换,同时给出了整体电路的设计方法、理论分析和仿真结果。




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作者信息:

彭  林,李嘉进,梁钊铭,章国豪

(广东工业大学 信息工程学院,广东 广州510006)

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