基于集成电桥的小型化Doherty功放设计和应用

李雪平

（京信网络系统股份有限公司，广东 广州 510663）

0 引 言

功率放大器（以下简称功放）作为通信系统的核心组成部分，一般处于射频发射链路的末端，是整个通信系统功率输出的关键，其性能决定了整个系统的功率、效率、线性度等指标[1,2]。随着通信技术的长期演进、多制式混模通信的需求越来越普遍，这给功放带来了越来越高的挑战，高峰均比下效率的提升变得尤为关键。相较于包络跟踪、包络消除与恢复、开关功放等技术，Doherty技术能在保证一定线性度的前提下，以较简单的方式、较低廉的成本显著提高功放效率[3-7]。射频发射链路框架如图1所示。

图1 射频发射链路框架

传统的Doherty架构是基于有源负载牵引理论，通过阻抗变换单元将50 Ω负载变换成功放的高阻负载，让载波路功放提前实现饱和来提升回退下的效率。而传统Doherty架构里面的阻抗变换单元的长度基本都遵守四分之一波长理论，这就使得该架构在较低频率下尺寸很大。

本文研究的基于集成电桥的Doherty架构由于采用贴片集成电桥替代传统Doherty功放的四分之一波长线，因此能够较大程度上减小功放的尺寸，从而实现小型化设计，尤其在MHz级别频段功放设计中具有显著效果。

1 传统Doherty功放原理

传统Doherty功放架构如图2所示，主要由功分网络、载波路功放支路、峰值路功放支路以及负载调制网络4部分构成[8]。每个支路又由输入输出阻抗匹配、功放、补偿线组成。

图2 传统Doherty架构

载波路功放一般偏置于AB类或B类组态，峰值路功放一般偏置在C类组态[9,10]。负载调制网络实现了负载的变换与调制，在功率回退下实现了载波路功放的高阻负载牵引[11]。

传统Doherty功放实现功率回退下高效率的关键在于载波路功放和峰值路功放之间的有源负载牵引，效率曲线如图3所示。

图3 传统Doherty架构的效率曲线

在特定的回退点处出现了第1个高效率点，在饱和功率点处出现了第2个高效率点。根据输出功率的差异，Doherty架构可以分为小功率状态、中功率状态、大功率状态。小功率状态输入信号功率很小，此时只有载波路功放导通，峰值路功放不导通。随着输入信号功率增大，进入中功率状态，此时峰值路功放开始逐渐导通，峰值路对载波路有源牵引越来越明显。当信号进一步增大时，峰值路功放和载波路功放都完全导通，牵引后的合路阻抗跟负载阻抗互相匹配，此时Doherty功率输出最大，效率也达到最高[12]。

分析时将Doherty架构中的载波路功放和峰值路功放分别看作2个理想的电流源，其中电流源c代表载波路功放、电流源p代表峰值路功放，有源负载牵引原理如图4所示。

图4 有源负载牵引电路

根据欧姆定律可知，负载上的电压为

电流源c的负载阻抗Zc为

电流源p的负载阻抗Zp为

由式（2）和式（3）可知，当载波路和峰值路共用一个负载RL时，载波路和峰值路的等效阻抗是受另外一路调制的，通过调整2个支路电流可以调节载波路和峰值路的带载特性，这就是有源负载牵引。将负载调制效应考虑进去，Doherty有源负载牵引原理如图5所示。

图5 Doherty有源负载牵引电路

根据式（2）和式（3）可以推出

根据四分之一波长线的变换特性可知

根据功率守恒原理，四分之一波长线两边功率相等，则

联立式（4）～式（8），可得

载波路输出电压为

回退功率高效率点处，载波路和峰值路功放都导通，此时的电流幅度可表示为

式中：γ的范围是[0,1]，回退功率高效率点处γ为0，饱和功率点处γ为1。将式（11）代入式（10）可得

当ZT=2RL时，载波功放的电压不会受到γ的影响，输出电压幅度恒定，即

由此可以发现，在功率回退区间内，虽然电流在发生变化，但是电压基本上跟γ无关，保持在最大电压摆幅输出，因此功放能够保持较高的效率。

当载波路功放和峰值路功放的功率比为1∶1（即Ic∶Ip=1∶1）时，令ZL=50 Ω、Zc=50 Ω，根据计算结果可以得到经典1∶1 Doherty架构如图6所示。

图6 经典1∶1 Doherty架构

虚线框内负载调制网络在此架构中起到了关键作用，通过该网络实现载波路和峰值路之间的有源负载牵引，将载波路功放提前饱和，从而实现高效率。该网络可以看成是一个三端口网络，根据三端口网络的互易性和幺正性，可知该网络的散射矩阵为

2 集成电桥Doherty原理

由于存在90°相位长度的阻抗变换线，使得传统Doherty架构适合于频段较高的场合，在MHz甚至更低的频段，该架构的尺寸会比较大，不利于小型集成化设计。针对该问题，提出了基于集成电桥合路Doherty架构，如图7所示。该架构总体思路和传统架构相当，差异在于输出的负载调制网络不是用微带线来实现，而是借助于集成的3 dB电桥。

图7 集成电桥合路Doherty架构

3 dB集成电桥网络如图8所示。

图8 3 dB集成电桥网络

3 dB集成电桥的散射矩阵为

将图8（a）中的4端口开路，即令b4=a4，将其代入式（16）可得

将式（17）和式（14）对比可知，除了跟3端口有关的S参数存在90°相位差外，其余S参数都一样。只要在3端口端接90°相位长度的微带线，图8（c）和图8（a）两者就能实现完全等效。

由微波网络理论可知，将参考平面同步移动，图6虚线框内的调制网络可以等效为如图9所示的网络组成。

图9 参考面平移后的3 dB集成电桥网络

当θ1＞θ2时，存在

当θ2≥θ1时，存在

通过单独调整3口端接的微带线长来等效调整个3 dB电桥前的微带线长，进一步降低Doherty设计和调试的难度，提高设计效率。

3 集成电桥Doherty功放的设计和应用

集成电桥Doherty架构通过集成电桥代替传统的四分之一波长微带线调制网络，在低频率场合具有显著的优势。以国产的BLP15M7160P功放管为例，实现集成电桥Doherty功放电路的设计。该功放工作于758～803 MHz的B28频段，采用28 V供电，饱和功率为160 W。

在电路设计过程中，借助ADS仿真软件进行仿真分析。该软件具有强大的有源电路全波仿真和FEM仿真能力，尤其在功放的设计上有S参数仿真、谐波平衡仿真、大信号仿真等诸多仿真控件，能给集成电桥Doherty功放电路前期设计提供强大的仿真数据支撑。

由Doherty原理可知，当Doherty处于回退功率高效率点时有Ip=0，此时峰值路并不导通，计算得到Zc=100 Ω。在回退高效率点处，50 Ω系统负载经过微带负载调制网络，载波路功放的负载呈现为100 Ω。通过ADS来对集成电桥能否实现该特性进行仿真，仿真原理如图10所示。

图10 集成电桥特性仿真

通过ADS的S参数仿真，对集成电桥1端口的输入阻抗进行监测，仿真结果如图11所示。其中，实线是输入阻抗的实部，虚线是输入阻抗的虚部。

图11 集成电桥特性仿真结果

从仿真数据可知，当电桥的4端口开路且2端口为高阻时，电桥可以实现将50 Ω系统负载牵引至100 Ω的效果，跟微带负载调制网络实现相同的功能，这也说明了集成电桥Doherty的可行性。

利用ADS软件构建集成电桥Doherty功放仿真电路架构，根据仿真的电路架构进行电路设计。绘制的集成电桥Doherty电路版图如图12（a）所示，传统Doherty版图如图12（b）所示。

图12 集成电桥Doherty和传统Doherty版图对比

从版图对比可知，在700 MHz频段通过引入集成电桥，输出调制网络尺寸明显缩小。根据集成电桥Doherty版图制作实物电路并进行调试和测试，其效率测试结果如图13所示。

图13 效率测试结果

通过数据对比可以发现，在饱和功率点回退6 dB左右，集成电桥Doherty相较于AB类功放能提升约20%的效率。目前，该款基于集成电桥Doherty产品已经成功应用在京信网络系统股份有限公司的数字无线项目中，在实现小型化的同时，各项射频性能优异，取得了很好的经济效益。

4 结 论

通过对传统Doherty功放理论的研究，重点分析了有源负载牵引在Doherty架构中所起的作用，综合运用网络等效和端口平移等方法阐述了集成电桥Doherty架构实现的可行性，同时结合软件仿真和实物验证，充分说明了集成电桥Doherty在MHz及更低的频段具有着小型化和高效率的独特优势。该产品成功应用在5G的B28频段数字无线系统中，取得了很好的效果。