面向DSRC的5.8GHz射频功率放大器仿真设计

摘 要 :基于win HBT工艺,利用ADS软件实现了用于DSRC系统5.8 GHz RF PA的仿真设计,电路采用自适应线性化偏置电路,为核心电路提供了补偿电流和补偿电压.根据二端口网络S参数和Loadpull技术完成了功率放大器的匹配网络设计.最后在Cadence环境下完成了功放的版图设计.

关 键 词 :交通专用短程通信,射频功率放大器,效率,线性度

The Simulation Design of A 5.8GHz RF Power Amplifier

XING Fei-yan, SUN Ling, PENG Yan-jun

(Jiangsu Key Lab of ASIC Design, Nantong University, Nantong 226007, China)

Abstract: By using of win HBT technology, a 5.8GHz radio frequency PA for the application of DSRC was simulated in ADS. The bias circuit with the function of adaptively linearizing was designed, which provide the pensation current and voltage for the core circuit. Based on the S-parameters and load-pull technology, the matching work of power amplifiers was pleted. Finally,the layout of the designed power amplifier was given in Cadence environment. Key words: Dedicated Short Range Communication, RF-PA, efficiency, linearity

1引言

当前,道路运输需求量不断增长,但资源、环境矛盾却使道路设施增长越来越受到限制,因此,智能交通系统(Intelligent Transportation Systems,ITS)的出现成为人们解决交通问题的最佳办法.如今,ITS已成为世界交通运输领域发展的重要方向和前沿研究课题,被认为是交通运输的一场革命,其重要性正被越来越多的人所认可[1].交通专用短程通信(Dedicated Short-range Communications,DSRC)作为ITS系统中车路间通信的技术平台也越来越成为人们研究的热点[2-4].

基于win HBT工艺,本文给出了一种面向DSRC系统物理层接收通道的5.8 GHz射频功率放大器(Power Amplifier,PA)的仿真设计.文章首先对DSRC系统作了简要介绍,然后在分析设计工艺特点的基础上具体给出了PA的电路仿真设计和版图设计,最后总结全文.

2DRSC系统简介

DSRC是一种实现短距离无线传输的新兴技术,支持点对点、点对多点的通信,通过信息的双向传输将车辆和道路有机地联系起来,一般有效通信范围是30 m以内,增强发射功率可达到100 m.该系统主要包括以下三个部分:车载单元(OBU:On-Board Unit)、路侧单元(RSU:Road- Side Unit)以及专用短程通信协议[5].国际上DSRC交通专用短程通信技术出现过3个主要的工作频段:800-900 MHz,2.4 GHz和5.8 GHz频段.2007年3月19日,中华人们共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会联合发布了关于电子收费系统专用短程通信的中华人民共和国国家标准GB/T 20851.1-2007,将我国DSRC工作频段选定在 5.8 GHz[6].

图1给出了一个DSRC物理层发射通道射频前端的一般结构示意图,可见,功率放大器是其中的核心单元.由于处在发送通道的最末端并与天线相连接,因此,PA的输出阻抗、线性度、输出功率以及效率等性能在很大程度上决定着该通讯系统的信号质量和通讯距离.

3功率放大器设计与仿真

基于win HBT工艺,本文采用Agilent ADS软件进行了面向DSRC系统的射频功率放大器的仿真和优化设计,并在Cadence环境下完成了电路的版图设计.下面给出具体设计过程.

3.1 win HBT工艺分析与器件选择

win HBT工艺是WIN半导体公司提供的一种适用于高频电路设计的GaAs基工艺,具有GaAs半导体器件击穿电压较高的特点,这也是设计PA的一大优势.该工艺提供了HBT晶体管、肖特基二极管、电阻和电容等元器件,其中HBT晶体管有5种,分别是:RQ1A021B2,RQ1A201B2,RQ1E401B2_M2S ,RQ1E403F2_M2S和RQ1A202F2_M2,每种晶体管又有Gummel-Poon和VBIC两种大信号模型.由于VBIC过于复杂的直流模型加大了提取参数的难度,且它的完整性也增加了建模的复杂性.因此本次仿真设计采用了Gummel-Poon模型.

检测设设计的射频功放功率增益级输出到下一级电路的射频信号Pdelivered 等于 100 mW,效率为40%,则电源需要提供的功率Psupply为250 mW,通常直流偏置电压选择5 V,则电流为50 mA.由工艺手册可知,RQ1E403F2_M2S可以达到54 mA的电流,所以选择该功放管.它的开启电压VT约为1.2 V,特征频率ft为27 GHz,符合设计要求.

3.2 功率放大器电路结构

1)偏置电路选择

本文采用如图2所示的自适应线性化偏置电路.图中,D1和D2是由两个BJT连接而成的二极管结构,由于WIN GaAs HBT工艺的基-射结二极管的电压相对较稳定,它并不随温度的变化而变化,所以P1处的直流电压恒定,实现了温度补偿.当输入功率增大时,泄漏到偏置电路中的射频功率增大,HBT1发射极电流增加,流入HBT0基极的电流也增加.由传统偏置电路可知,经基-射结二极管整流后的平均直流电流将随输入功率增大而增大,而基-射结两端的电压VBE会减小.因此在图2中,HBT1与HBT0整流的直流电流分别使基-射结压降VBE1与VBE0减小,HBT0的基-射结电压VBE0 等于 Vbb-Ib*R1- VBE1,而流过R1的电流Ib远大于HBT1的基极电流,从而使VBE0得到补偿.

2)匹配网络设计

放大器的匹配网络有输入匹配、级间匹配和输出匹配.输入匹配网络是将信号源阻抗变化到放大器所需的输入阻抗,使信号源到放大器输入实现最大功率传输,其中信号源阻抗通常为50Ω,级间匹配网络是将前级输出阻抗变化到后级所需的输入阻抗,输出匹配网络是将最后一级的输出阻抗匹配到50Ω.其中输出匹配对于PA的设计尤为重要,它对PA的很多参数都有影响.由于功率放大器的输出功率大小与负载阻抗相关,因此,获得最优负载电阻Ropt在PA的设计中至关重要.通常采用Load-Pull技术扫描出Ropt,也可以通过Cripps介绍的方法计算出.如式(1)和(2)所示[7]:

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 R等于 (1)

P等于 (2)

以上两式中,VCC为直流电源,Ifund为晶体管集电极电流的基本组成部分,它等同于A类放大器的直流电流IDC.Popt是最优输出功率.然而,考虑到晶体管的饱和电压VCEsat,Ropt可表示成:

R等于 (3)

实际上,晶体管集电极上的扼流电感通常带有较小的电阻值RRFC,导致电压下降而使实际结果变小.因此,式(3)可改写成:

R等于 (4)

得到最优负载电阻Ropt,就能够得到最大输出功率,并确定输出匹配网络.

本文采用了Load-Pull技术得到Ropt,然后再设计输出匹配网络,将实际负载阻抗值(通常为50Ω)匹配到该最佳负载阻抗值,最后设计输入匹配网络并进行整体优化仿真.常见的匹配网络结构有L、T、∏型等,本次设计将L型网络作为功率放大器的输入输出匹配网络.其中在输入匹配网络中,Z1为2 pF的电容,Z2为1 nH的电感,在输出匹配网络中,Z1为0.49 pF的电容,Z2为1.1 nH的电感,值得注意的是,由于在电路当中,是将此负载阻抗匹配到50Ω,所以我们在做匹配时要注意应先将50Ω匹配到这个阻抗的共轭,即ZL*,如图3所示.

3)功率放大器电路结构

采用自适应线性化偏置技术设计的功率放大器电路如图4所示.图中,稳定性回路采用RC结构,通过选择恰当的RC回路参数,使其对最大增益值的影响最小.完成了电路稳定性的设计之后,对电路进行loadpull扫描,得到使输出功率最大的负载阻抗值,再根据该负载阻抗值进行输入和输出匹配网络设计.为了使RF能量都传输到负载上,扼流电感L的阻值通常是Ropt的5~10倍.特殊情况,为了调节某个指标,也可以使用Ropt 3倍的电感.为了避免电感产生较低的自共振频率,图4中电感值取为6.8 nH.

3.3 功率放大器电路仿真

表征射频功放的主要性能指标有:输出功率、效率、功率利用因子、功率增益和线性度等,其中效率有两种定义:功率附加效率PAE和漏端效率η[8].图5~图7给出了设计的功率放大器S参数、输出功率和功率附加效率(PAE)以及谐波仿真结果.

由图5可知,中心工作频率5.8 GHz时,设计的PA小信号增益S21为17 dB,电路的输入回波损耗S11为-21.5 dB,输出回波损耗S22为-7.65 dB,反向隔离度S12为-27 dB.由图6仿真结果可知,在中心工作频率5.8 GHz上,输入功率Pin为9 dBm时,输出功率达到了其1 dB压缩点P1dB 等于 24.8 dBm,此时功率附加效率PAE为47%.图7表明Pin为7.5 dBm时,输出功率为23.617 dBm,二次谐波分量为 -2.109 dBm,三次谐波分量为-10.902 dBm.

3.4 功率放大器版图设计

版图设计对于RF PA相当重要,版图设计的好坏不仅直接影响到电路制作的成品率及可靠性,其寄生参数(寄生电阻、电容和电感)对电路性能的影响也非常明显.因此,在版图设计中应尽量减小寄生效应,对较长的高频信号线应采用顶层金属以减小寄生电容的影响,并尽量减小与电感相连的金属连接线长度,以减小寄生电感.当需要最小化结寄生电容时,可以用两个晶体管共用一个结.功率放大器中要流过较大的电流,通常将多个并联的单元晶体管构成功率晶体管单元,使较大的电流均匀地分布在每个单元晶体管中.图4给出的射频功率放大器在Cadence软件下的版图设计如图8所示.

4小结

本文采用win HBT工艺完成了DSRC系统物理层发送通道5.8 GHz射频功率放大器的仿真设计.仿真结果表明,该电路在5.8 GHz频率处,实现了良好的输入输出匹配、具有较高的反向隔离度和较好的线性度,5 V电源电压下,静态功耗为233 mW,在线性工作区小信号功率增益为16.8 dB.

致谢

衷心感谢江苏省高校自然科学研究重大项目(09KJA510001)和南通大学博士基金项目(03080115)对本研究工作的支持.