A-Doherty功率放大器的研究与实现

2012-02-15涂小军

电子设计工程 2012年9期

涂小军

（西南交通大学电磁所，成都四川 610031）

近年来，无线通信事业在全世界范围内蓬勃发展，无线通信设备的用户也随着迅速增长。由于功率放大器是无线通信系统中的重要组成部分，影响着整个系统的性能，为了适应大量商用，所以对功率放大器的技术指标提出了较高的要求。其中功率放大器的线性度和效率是功率放大器设计的重点和难点，同时也是对功率放大器研究的热点。功放的线性度和效率是相互矛盾的，两者难以同时兼顾。在目前现有的高效率方案中主要包括，Kahn包络分离和恢复技术，LINC技术，包络跟踪（ET）技术以及Doherty技术等。虽然这些方案都提高了效率，但综合电路的带宽、电路的结构以及成本等因素考虑，Doherty是一种比较好的可行方案。

Doherty是一种不受传输数据影响和适用于搞数据率通信系统的高效率功率放大器。1936年，贝尔实验室的WH.Doherty提出电路的概念。该电路最初是应用与真空管中，为底平均效率的传统振幅调制提高效率的替代品[1]，开始只是为了解决效率的问题，并没有考虑线性度，所以最原始的Doherty功率放大器的线性度一般都很差。经过多年的发展，特别是近些年将Doherty功率放大器引入微波领域后，Doherty功放进入了飞速房展的阶段。目前，Doherty功率放大器可以在保证功放具有较好的线性度的前提下提高效率。

文中通过对传统对称Doherty和非对称Doherty（ADoherty）功率放大器的基本理论及其工作原理的分析对比，为了改善饱和输出功率和效率这两个功率放大器指标中非常重要的两个，而且在一定程度上两者之间是相互矛盾的，A-Doherty和对称Doherty相比，更好的同时改进功放的这两个指标，调和这一对矛盾。然后利用LDMOS晶体管设计对称Doherty和A-Doherty功放，由仿真结果可以看出A-Doherty功率放大器的性能有所改善。

1 Doherty功率放大器的基本理论

1.1 对称Doherty功率放大器的基本理论

经典的二级Doherty功率放大器的结构框图如图1[2]所示。

图1 Doherty功率放大器结构图Fig.1 Structure diagram of Doherty power amplifier

原始的经典的二级Doherty有两个功率放大器组成，即一个载波（主）和峰值（辅助）放大器，其中载波放大器工作在AB类或者B类工作状态，峰值放大器工作在C类状态。载波放大器和峰值放大器由传输线隔开，这一传输线起到的作用是在峰值放大器开始工作时，起到将载波放大器的阻抗减小的作用；而位于输入端和峰值放大器之间的传输线则起到了补偿由载波放大器输出的传输线引起的相。

Doherty功放有3种工作状态，如图2所示，分别是低功率输出模式、中等功率输出模式、大功率输出模式。低功率输出模式，即输入功率小于如图2所示的A点，此时峰值放大器没有打开，峰值放大器对输出端呈现高阻状态，可以近似看做开路，而只有载波放大器在工作，所有的的输出信号由载波放大器提供输出，此时的载波放大器可以看做是一个受控电流源。当输入信号接近A点时，载波放大器的输出电流仅有最大值的时候电压酒接近饱和，此时系统在没有输出最大功率的情况下已经拥有了较高的效率。当输入加大信号到达A点时，为中等功率输出模式，载波放大器的电压达到饱和，可以看做是一个受控电压源，而峰值放大器则可以看做是一个受控电流源。由动态的负载牵引技术可知，由于峰值放大器的电流随输入信号增加而上升，使得载波放大器输出端λ/4传输线后面的阻抗R2（如图1所示）增加，但由于λ/4波长阻抗变换作用，使得载波放大器后的阻抗R1减小，所以载波放大器在漏极电压不变的情况下能够输出更大的输出功率。随着输入信号的逐步增大，在峰值放大器没达到饱和之前，整个功放的效率仍将保持在较高的水平。当输入信号继续增加大，使得载波放大器和峰值放大器都达到最大输出功率，峰值放大器的效率也达到最大值，此时为大功率输出模式，Doherty功率放大器的效率达到最大值。

图2 Doherty功放的工作状态示意图Fig.2 Working state diagram of Doherty amplifier

如图3所示[3]，载波放大器用电流源IC代替，峰值放大器用电流源Ip代替，并且假设放大器的谐波部分都被短路，电路的性能由直流与基频部分决定，2个放大器的尺寸相同。Zc和Zp分别表示载波放大器和峰值放大器的负载阻抗，Doherty放大器中的载波、峰值放大器在各种工作状态下的负载阻抗为：

式中ZL是Doherty功放的负载阻抗，Pon为图3中A点的

1.2 A-Doherty功率放大器的基本理论块

图3 Doherty功放工作原理图Fig.3 Working schematic of Doherty amplifier

在前面阐述了传统的对称Doherty功放的理论及其工作原理，确实可以看到Doherty功放和普通功放相比的优点，但在具体的实施过程中，发现传统对称Doherty功率放大器存在以下的不足：1）由于载波放大器工作在AB类或B类状态，而峰值放大器则在C类状态，所以对于传统对称Doherty功放的峰值放大器的电流小于载波放大器的电流，从而使载波放大器的最终输出功率低于其实际输出能力，即峰值放大器无法达到功率饱和输出，所以整个Doherty功率放大器也就不能输出预计的饱和功率值了。2）与理论可知当输出功率在饱和功率回退6 dB时效率达到最大，回退大于6 dB时效率将会降低，而且实际中载波放大器还未到达电压饱和时峰值放大器就开始工作，所以整个Doherty功放的效率很难达到最大值。

为了改善传统对称Doherty功放所存在的缺陷，针对上面的所提出的具体问题进行一些改进，如针对第一个缺陷（饱和输出功率低）可以增加峰值放大器的输入功率，即在Doherty功放的输入前端采用不等功率分配；两功率管不仅可以采用不同的漏极偏置；还可以采用不同的功率管。而针对第二个缺陷（效率较难达最大值）可以让载波、峰值放大器采用不同的功率管，还可以采用类Doherty推动Doherty的结构形式。因此现在常见的A-Doherty功放的形式有以下几种：1）适当的改变Doherty功放电路中功分器的功率分配（一般峰值放大器分配得到的功率多些），使得峰值放大器尽量能够达到功率饱和输出；2）适当提高峰值放大器功率管的漏极电压，值得注意的是自种方法载波、峰值放大器虽然用的是同一种功率管，但由于漏极电压不一样，因此匹配电路也就不一样了；3）采用不同的功率晶体管。这几种方法可以根据具体实际情况即可以单独使用，也可以任意几个组合使用。例如，我们采用改变Doherty功放电路中功分器的功率分配，即载波、峰值放大器输入不等分的输入功率，若适当让峰值放大器承载更多的输入功率，两放大器的基波电流在满功率输出的时候是相等的。因此在高功率的时候，两个放大器都可以被牵引到最佳的输出功率阻抗点，在负载处可以得到最大的功率输出。两级非对称Doherty功率放大器的效率表达式为：

其中α为输入分配比，P′on为峰值放大器开始工作的输入功率。

2 A-Doherty功率放大器的实现

文中用的是不等功率输入的方法来改善Doherty的性能，用的MFR6S9045NR是一款由Freescale提供的LDMOS功放晶体管模型，用的仿真工具是安捷伦公司的ADS（Advance Design System）仿真软件。

2.1 单管放大器的仿真

图4 仿真设计流程图Fig.4 Simulation and design flow chart

文中仿真设计的工作的中心频率为880 MHz，先确定放大器晶体管的静态工作点，只有在正常的栅极电压和漏极电压下功率放大器才可能正常工作。在ADS仿真软件中，用直流仿真控制器确定栅极电压和漏极电压。选定漏极电压为28 V，从仿真数据上可以得到，载波放大器工作在AB类，初步定栅极电压为3.0 V，而峰值放大器工作在C类，初步定栅极电压为2.65 V。接着就是功率管的稳定性的分析，一个管子绝对稳定的条件[5]如式（4）所示。

采用ADS仿真软件进行功率放大器的仿真流程如图4[4]所示。

其中D=S11S22-S12S21。K称之为稳定性判别系数，K＞1是稳定状态，只有当3个条件都满足是，才能保证放大器是绝对稳定的。接下来用ADS软件自带的Loadpull和Sourcepull模板，用Loadpull和Sourcepull技术对晶体管进行扫描，从而找到管子的最佳匹配点Zload=3.177+j1.429和Zsource=2.29+j0.273，这和供应商的晶体管大信号工作模式上的实测数据比较吻合。然后就是用的集总参数匹配的方法将和匹配到50，阻抗匹配时主要考虑到以下几个方面：1）简单性；2）频带的宽度；3）匹配电路的种类；4）匹配电路应具有可调。

2.2 完整的A-Doherty和对称的Doherty功放的仿真

完成单管的仿真后，即可将电路综合起来，保持载波、峰值功放管的输入输出匹配电路、偏置网络不变，对电路按以下两个方向进行整体功放仿真：1）调整输入端的功分器，即调整载波、峰值功率放大器的输入端的输入功率比；2）调整载波、峰值放大器的栅极电压，特别是峰值放大器的栅极电压，在饱和输出功率和效率之间找一个平衡点。

经过多次调试和优化，最后得到的1 dB压缩点、效率和功率结果如图5、6所示。

图5 传统对称Doherty功放Fig.5 Traditional symmetrical Doherty amplifier

图6 A-Doherty功放Fig.6 A-Doherty amplifier

从图5中可看出传统对称Doherty功放的P1dB为43.325 dBm，此时功放的输出附加效率为23.472%。从图6中可以看出A-Doherty功放的P1dB为44.532 dBm，此时功放的输出附加效率为34.051%，通过比较看出A-Doherty和传统的Doherty功放相比在效率、线性度和输出功率方面得到明显的改善，而且A-Doherty功放的增益为17.532，从而保证A-Doherty功放的线性度的同时得到高效的性能。