应用于LTE基站的L波段Doherty放大器

2017-08-16熊梓丞

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2017年4期

关键词：输出功率射频基站

王斌，熊梓丞，张鑫

(重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065)

应用于LTE基站的L波段Doherty放大器

王斌，熊梓丞，张鑫

(重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065)

射频功率放大器是现代无线通信系统中的重要组成部件之一，传统的功率放大器设计非常依赖射频工程师的工程经验，一般通过实物电路的反复调试达到设计指标。采用Doherty技术设计并实现了一种应用于长期演进(long term evolution，LTE)移动通信技术基站的L波段高效率功率放大器。设计中采用了安捷伦公司的先进设计系统软件，选取恩智浦公司型号为AFT20P140-4WN的横向扩散金属氧化物半导体(laterally diffused metal oxide semiconductor，LDMOS)功放晶体管，该晶体管工作频段为1 880 MHz～2 025 MHz。通过电路仿真与实物调试相结合的方式完成了整个设计。测试结果表明，所设计Doherty功率放大器的最大输出功率为45.3 dBm，最高效率为37%，在4.2 dB功率回退的情况下，效率仍保持在30%左右。与传统的功率放大器设计相比，此设计方式缩短了设计周期，提高了设计成功率并降低了设计成本。

功率放大器；Doherty技术；高效率；L波段

0 引言

随着现代通信技术的高速发展，通信系统基站子系统朝着更高增益、更快速率以及更高效率方向发展。功率放大器作为基站子系统的核心部分，很大程度上影响着通信系统的性能。由于通信系统的体积和功耗都在不断减小，相应的散热系统也在逐步简单化与小型化，这就需要功率放大器提高效率，减小功耗与发热。针对功率放大器效率提升，国外在包络消除与恢复技术[1]、包络追踪技术[2]、非线性元件线性放大技术(linear amplification using nonlinear components, LINC)[3]和Doherty技术[4]等方面进行了相关研究。与前几种技术相比，Doherty技术结构简单、成本低廉、对系统线性度影响较小且适用于高峰均比的现代无线信号高效率传输[5]，因此，被广泛应用于移动通信基站中。

本文通过对Doherty技术的原理进行分析，利用安捷伦公司先进设计系统(advanced design system，ADS)软件，采用恩智浦公司的横向扩散金属氧化物半导体(laterally diffused metal oxide semiconductor，LDMOS)功放晶体管，通过软件设计与硬件调试相结合的方式设计出应用于长期演进(long term evolution，LTE)移动通信基站的Doherty功率放大器。

1 Doherty技术原理

1936年，贝尔实验室的W. H. Doherty[6]提出了Doherty技术，刚开始是采用真空电子管设计单级放大器，用于调幅广播发射器。经典的Doherty功率放大器结构如图1所示。Doherty功率放大器由主功放和辅助功放2个平行的功率放大器组成。其最主要的特点在于它有2个电路结构相同，静态工作点偏置不同的放大电路，主功放处于AB类工作模式，辅助功放处于C类工作模式。

图1 经典Doherty功率放大器结构Fig.1 Structure of the classical Doherty power amplifier

Doherty功率放大器有3种工作模式，分别是小功率、中功率与高功率。在输入信号较小时，主功放工作，而辅助功放处于截止状态；当输入功率逐步增大时，主功放的输出功率达到峰值，此时，辅助功放开始工作；当输入功率进一步增大，当达到峰值的输入功率点，也即是辅助功放的输出也达到饱和点时，Doherty功率放大器达到峰值输出功率。由于主功率放大器的提前饱和使得Doherty功率放大器在峰值功率输出点回退6 dB的情况下依然会获得与输出饱和功率一样高的效率。理想条件下，经典Doherty功率放大器与传统AB类放大器的效率对比情况如图2所示。相比于传统AB类放大器，Doherty功率放大器在输出功率回退6 dB的情况下效率有着较大的提升。

图2 Doherty功率放大器与AB类功放效率曲线Fig.2 Efficiency curve of Doherty and class AB power amplifier

2 Doherty功率放大器的设计

根据长期演进(long term evolution，LTE)移动通信技术基站的应用需求，本文所设计的Doherty功率放大器的工作频段为1 930 MHz～1 990 MHz，中心频率为1 960 MHz，要求1 dB压缩点需要达到45 dBm以上，增益大于15 dB，效率在35%以上。基于以上指标，本设计采用恩智浦公司型号为AFT20P140-4WN的LDMOS晶体管作为Doherty功率放大器的核心放大部件。该晶体管的典型增益为17.8 dBm，1 dB压缩点为51.5 dBm，可用频段为1 880 MHz～2 025 MHz。

2.1 单管主放大器电路设计

静态工作偏置点的选取决定了功放管是否能够正常稳定工作，利用ADS软件仿真扫描分析出该功放晶体管的静态工作点。扫描结果如图3所示，选取晶体管漏极与源极间电压VDS=28 V，栅极与源极间电压VGS=1.9 V作为主管的静态工作电压，漏极与源极间静态工作电流IDS=0.715 A。

图3 静态工作点仿真

功率放大器设计的核心在于匹配电路，而匹配电路设计的关键点在于确定准确的输入输出阻抗，传统的匹配电路设计一般根据功放管厂商提供的数据手册上的输入输出阻抗值,其优势是简单实用。但通常厂商数据手册都只会给出几个工作频点下的阻抗值，不具有普适性。所以，本文在匹配电路的设计中，利用ADS软件对该功放管分别进行了负载牵引[7]与源牵引设计。此方法能够灵活且准确地找出所需工作频点的阻抗值，为匹配电路的精确设计提供了可靠方案。综合考虑到Smith匹配原则以及该设计中功放管的实际情况，本设计中的输入匹配采用了一种“一”字型匹配，而输出匹配则使用了较为经典的“π”型匹配，如图4所示。图4中，W与L分别为微带线的宽度与长度。同时，由于本文设计是一款经典的对称Doherty功率放大器，所以辅助功放与主功放采用了相同的匹配电路，只是通过控制栅极电压使其处于不同的工作状态。

2.2 Doherty功率放大器设计

Doherty功率放大器后期设计的关键在于补偿线的设计。Doherty功率放大器在辅助功放未开启时，由于λ/4线的作用，主功放输出端负载变换为100 Ω的阻抗。可以通过调节主功放输出端匹配电路后的补偿线，来调节匹配阻抗的相位，并得到最佳的反射系数与传输系数。在辅助功放输出端也需要一段特征阻抗为50 Ω的微带线，这段补偿线的主要作用是在小信号状态时将辅助功放输出端的小阻抗转换为大阻抗，对主功放呈现出开路状态，防止主功放的输出信号泄露到辅助功放的输出端。通过ADS的仿真优化，主功放与辅助功放的补偿线分别为7 mm与13 mm时，仿真结果能够很好地满足设计要求。同时，在仿真优化设计过程中发现，主功放的漏极与栅极的最佳电压分别为28 V，1.9 V，辅助功放漏极与栅极的最佳电压分别为28 V，0.6 V，最终优化得到的Doherty功率放大器原理图如图5所示。

图4 主功放仿真原理图Fig.4 Simulation schematic of main power amplifier

3 实物测试分析

考虑对印制电路板(printed circuit board，PCB)板材低介电常数与低损耗的需求，本设计采用Rogers4350作为介质基板材料。该种材料由于传播损耗很小，非常适合高频信号的传播，如图6所示。

图7和图8分别是Doherty功率放大器的输出功率、增益和效率的仿真与测试的对比曲线。测试结果表明，Doherty功率放大器在输出功率为45.3 dBm的情况下，效率为37%。功率回退4.2 dB，回退点处的效率为30%。在输入功率为0～30 dBm时，增益为14±0.5 dB。可以看出，实物测试结果与仿真设计结果趋势一致，但仍存在一定差距，这是由于加工误差，焊接因素以及测试过程中功放管热效应，导致功放在工作时的性能出现了下降。可以在后面的工作中通过优化实物匹配电路，提高焊接水平以及采用更好的散热底座等方式进一步提高其性能。

图5 Doherty功率放大器原理图Fig.5 Doherty power amplifier schematic

图6 Doherty功率放大器实物图Fig.6 Photograph of the Doherty power amplifier

图7 Doherty功率放大器输出功率与增益曲线Fig.7 Output power and gain curve of Doherty power amplifier

对于射频功率放大器而言，输出功率较大时，已经进入功放管的非线性区，从而使得功放的工作效率降低，Doherty功放对比情况如表1所示。从表1可以看出，本文的输出功率低于文献[8]，比文献[9-10]高，其工作效率却正好相反。功放设计过程中，对于输出功率和效率需要适当的折中考虑。

通过对表1中数据的分析与对比可知，射频功率放大器在输出功率较大的情况下，较难保证其稳定的工作在线性区。为了使射频功率放大器工作在线性区，一般采用功率回退的方法，但这又使得其输出功率有所降低。因此，如何同时兼顾好射频功率放大器的输出功率和效率，仍然是功率放大器设计中的一个重要挑战。

图8 Doherty功率放大器功率附加效率曲线Fig.8 PAE curve of Doherty power amplifier

文献中心频率/GHz饱和输出功率/dBm效率/%[8]2．1450．535[9]1．8833．544[10]1．853037本文1．9645．337

4 结束语

本文采用Doherty技术，综合ADS软件仿真与实物调试，设计了一款应用于LTE基站的高效率功率放大器。经测试，所设计Doherty功率放大器能够达到的最高效率为37%，功率回退为4.2 dB。ADS软件仿真设计与实物测试相结合的设计方式降低了功放设计的难度和成本，缩短了设计周期。但由于对称Doherty功率放大器的主功放与辅助功放的输入信号是等比例分配，辅助功放还是缺乏足够的增益为主功放提供有效的动态负载牵引。同时，随着通信信号数字调制方式的发展，传输信号的峰均比将会越来越高，导致Doherty功率放大器由对称向非对称，两路向多路演变[11]，这也是我们未来工作的主要研究方向之一。

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(编辑：王敏琦)

s：The National Natural Science Foundation of China (61102026)；The Natural Science Foundation Project of CQUPT (A2015-47)

The radio frequency power amplifier is one of key components in modern wireless communication system. The traditional design method depends on the experiences of the engineers. The indexes can be reached by debugging the circuit repeatedly. In this paper, an L-band high efficiency power amplifier with Doherty technology for long term evolution (LTE) base station is proposed. During the design, the advanced design system (ADS) of Agilent company is applied, and the lateral-diffused metal-oxide semiconductor (LDMOS) transistor AFT20P140-4WN of NXP company is adopted. The operating frequency is between 1 880 MHz and 2 025 MHz. The design is accomplished by combing the simulation and circuit debugging. According to the measurement results, the biggest output power of the Doherty power amplifier is about 45.3 dBm, the largest efficiency is approximately 37%. Especially, the efficiency is still around 30% when the power back-off is about 4.2 dB. Compared with the traditional method, this design method can shorten the design cycle, improve the design success rate and reduce design costs.

power amplifier; Doherty technology; high efficiency; L-band

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.04.003

2016-09-07

2017-02-27 通讯作者：王斌 wangbin1@cqupt.edu.cn

国家自然科学基金(61102026)；重庆邮电大学自然科学基金(A2015-47)

TN722.7+5

1673-825X(2017)04-0441-05

L-band Doherty amplifier for LTE base station

(College of Electronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P. R. China)