1414.5 GHz Doherty功率放大器研究

程知群，張 弦

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點實驗室，浙江杭州310018)

0 引言

現(xiàn)代通信系統(tǒng)正朝著低功耗，高效率和小體積的方向飛速發(fā)展。近些年來，無線通信的發(fā)展趨勢為多電平、多載波、大容量、寬頻帶和高峰均比。衛(wèi)星通信作為無線通信中的一種，近年來也得到了飛速發(fā)展，它在軍事、海事、綜合業(yè)務(wù)和電視直播通信上有著比其他通信系統(tǒng)更多的優(yōu)勢，發(fā)展衛(wèi)星通信，意義重大。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基站中，功率放大器消耗的功率在整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)中所占比例很大，并且功率放大器是在大信號工作下的非線性器件。因此為了達(dá)到整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)的高效率和高線性度，研究和設(shè)計高效率和高線性度的功率放大器是非常有意義的，并且高效率和高線性度放大器已成為當(dāng)前國內(nèi)外的研究熱點［1］。Doherty技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了高效率和高線性度兼有的功率放大器［2］，Doherty功率放大器雖然也采用功率回退來達(dá)到線性度的要求，但是在功率回退的過程中，功率放大器效率減少的不是很大，從而在保證線性度的同時也達(dá)到了較高的效率。本文采用Triquint公司提供的功率管芯TGF2023－02，先對管子進(jìn)行了等效電路模型參數(shù)提取，并對管子與鍵合線相連部分進(jìn)行電磁場建模，最后設(shè)計Doherty功率放大器，通過仿真和優(yōu)化，得到較理想的性能。

1 有源器件等效電路模型參數(shù)提取

電路設(shè)計采用了型號為Triquint TGF2023－02 GaN HEMT功率晶體管。其Datasheet中提供小信號S參數(shù)模型，即s4p文件。還提供了型號為Trquint TGF2023－01 GaN HEMT功率晶體管等效電路模型中部分參數(shù)值以及Trquint TGF2023－01在特定偏置和頻率下Loadpull測試的負(fù)載阻抗。TGF2023－02管子?xùn)艑捠荰GF2023－01的兩倍，其它結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)相同。因此，在電路設(shè)計前，需建立Trquint TGF2023－02 GaN HEMT功率晶體管等效電路模型。

首先將Datasheet中提供的小信號S參數(shù)s4p轉(zhuǎn)換成2端口的s2p文件，利用Triquint模型和Datasheet中提供的TGF2023－01相關(guān)參數(shù)，提取模型中相關(guān)的電學(xué)參數(shù)。結(jié)合ADS軟件仿真模型的小信號S參數(shù)和Loadpull仿真，將模型仿真參數(shù)與Datasheet小信號S參數(shù)以及最優(yōu)負(fù)載阻抗值對比進(jìn)行擬合模型中電學(xué)參數(shù)的精確度。器件Datasheet提供了幾個頻點的最大功率下輸出阻抗，結(jié)合本項目設(shè)計的頻段，重點關(guān)注14 GHz頻點下最優(yōu)負(fù)載阻抗值，若仿真與測試接近，此時的模型應(yīng)用于14 GHz左右電路設(shè)計更精確，反之，就需要重新進(jìn)行曲線擬合。經(jīng)過多次擬合后，得到基于Triquint等效電路模型中電學(xué)參數(shù)如表1所示?；诮⒌牡刃щ娐纺Ｐ头抡嫘⌒盘朣參數(shù)，模型仿真和測試器件2個端口的反射系數(shù)對比曲線如圖1所示。結(jié)果顯示，在頻率1 20 GHz范圍兩者接近。等效電路模型負(fù)載牽引仿真和測試結(jié)果如表2所示，兩者比較吻合。

表1 等效電路模型主要參數(shù)

圖1 模型仿真和測試結(jié)果對比曲線

表2 負(fù)載阻抗測試與仿真結(jié)果

2 無源元件電磁場仿真

為了準(zhǔn)確地表征鍵合線對電路性能的影響，本文采用了HFSS電磁仿真軟件對連接到晶體管裸管的鍵合線和微帶線進(jìn)行了場仿真，建立其S參數(shù)模型。與晶體管連接的鍵合線和微帶線如圖2(a)所示。圖2(a)中的數(shù)字2和3是鍵合線與晶體管電極連接點，1是與輸入(或輸出)匹配電路連接點。HFSS仿真的1端口反射系數(shù)參數(shù)曲線如圖2(b)所示，并標(biāo)出了14 GHz頻點下的輸出阻抗值。本文考慮到有源器件的版圖結(jié)構(gòu)和鍵合線的電流密度，柵級和漏極都采用雙鍵合線。為了簡化電路，縮短仿真時間，與管子?xùn)艠O和漏極連接的鍵合線及微帶線對稱［3］。

圖2 與晶體管連接的鍵合線和微帶線

3 Doherty功率放大器電路設(shè)計

Doherty功率放大器主要由主功率放大器和輔助功率放大器組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。主功率放大器工作在AB類，偏置點設(shè)置漏源電壓VDS=28 V，柵源電壓VGS=－3.6 V，輔助功率放大器工作在C類，偏置點設(shè)置漏源電壓VDS=28 V，柵源電壓VGS=－4.8 V。采用λ/4高阻抗微帶線和扇形線設(shè)計偏置網(wǎng)絡(luò)，并確保穩(wěn)定。使用ADS軟件的Loadpull和Sourcepull，最大化PAE，確定此時的最優(yōu)負(fù)載阻抗和最優(yōu)源阻抗。在輸入功率30 dBm，頻率14.25 GHz的條件下，此時主功率放大器的最佳負(fù)載阻抗為(2.2+9.8j)Ω，最佳源阻抗為(1.9－1.7j)Ω。匹配網(wǎng)絡(luò)采用叉指電容與λ/4微帶線的串聯(lián)形式，叉指電容既是匹配電路的一部分，也起到了隔離直流的效果。輔助功率放大器的設(shè)計與主功率放大器相似。主功率放大器和輔助功率放大器通過兩路對稱Wilkinson功分器合成。主功率放大器后接特性阻抗50 Ω，長度λ/4微帶線，起阻抗變換作用，為了保持兩路相位一致，輔助功率放大器也要加上相同尺寸的微帶線。當(dāng)輸入功率很小時，輔助功率放大器沒有工作，主功率放大器后面的微帶變換線將終端負(fù)載(此時也為主功率放大器的負(fù)載)變換到100 Ω。當(dāng)主功率放大器接近飽和時，輔助功率放大器開始工作，此時隨著輸入功率的增大，主功率放大器的負(fù)載阻抗逐漸由100 Ω變?yōu)?0 Ω［4］，終端負(fù)載經(jīng)特性阻抗35 Ω，長度λ/4微帶線變換到25 Ω。考慮到當(dāng)輔助功率放大器沒有開始工作時，理論輔助功率放大器的輸出阻抗應(yīng)呈現(xiàn)近似開路狀態(tài)，但實際電路因輔助功率放大器有漏源級間電容Cds和開路電阻，被看成主功率放大器負(fù)載的輔助功率放大器呈現(xiàn)的阻值不是很大，這樣會使實際的效率降低，為此在輔助功率放大器的輸出端加一段特性阻抗為50 Ω的微帶補(bǔ)償線，這樣不會影響輔助功率放大器的匹配效果，增加補(bǔ)償線的長度，直到此時輔助功率放大器的輸出阻抗達(dá)到實部很大，部接近于0為止。加入補(bǔ)償線前后阻抗變化如圖4所示。為了相位保持一致性，主功率放大器需要加上相同尺寸的微帶線。

圖3 Doherty功率放大器結(jié)構(gòu)

圖4 加入補(bǔ)償線前后阻抗變化

4 仿真結(jié)果與分析

主功率放大器的S參數(shù)仿真如圖5(a)所示，從S參數(shù)曲線看出，在14 14.5 GHz頻率范圍內(nèi)，輸入和輸出達(dá)到了良好的匹配，S11和S22均低于－20 dB，并且S21達(dá)到了11.5 dB。Doherty功率放大器(DPA)的功率增益曲線(Gp)和輸出功率曲線(Pout)以及DPA的功率附加效(PAE1)與平衡式功率放大器的功率附加效率(PAE2)曲線如圖5(b)所示。從圖中可知Doherty功率放大器功率增益大于8 dB，輸出功率高于12 W，PAE高于45%，并且在功率回退6 dB時，Doherty功率放大器的PAE也能達(dá)到41.8%，而此時平衡式功率放大器的PAE為31.4%，比平衡式功率放大器提高了近12%。

圖5 Doherty功放S參數(shù)，功率增益，輸出功率曲線以及PAE對比曲線

5 結(jié)束語

本文基于Triquint的0.25 μm GaN HEMT管，采用HFSS軟件對部分電路進(jìn)行了建模，采用ADS軟件對管子的非線性模型進(jìn)行了較準(zhǔn)確的擬合，并對Doherty電路進(jìn)行了仿真設(shè)計，得到了很好的仿真結(jié)果，仿真得出的輸出功率大于12 W，PAE達(dá)到了45%以上。

［1］遲保勇，余志平.CMOS射頻集成電路分析與設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006:291－365.

［2］Raab F H.Efficiency of Doherty RF Power-Amplifier Systems［J］.IEEE Transactions on Broadcasting，1987，33(3):77 －83.

［3］Lim Juhwan，Daehan Kwon，Rieh Jae-Sung，etal.RF Characterization and Modeling of Various Wire Bond Transitions［J］.IEEE Transactions on Microwave Techniques，2005，28(4):772 －778.

［4］Yang Liyuan，Chen Hsinshu，Chen Yijan.A 2.4 GHz Fully Integrated Cascode-Cascade CMOS Doherty Power Amplifier［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2008，18(3):197 －199.