非對稱功率輸入Doherty功率放大器研究與設(shè)計(jì)

程光偉，周旭東

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安710032）

非對稱功率輸入Doherty功率放大器研究與設(shè)計(jì)

程光偉，周旭東

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安710032）

為在高線性的前提下提高LTE基站系統(tǒng)中的功率放大器效率，基于ADS軟件設(shè)計(jì)了一款工作頻段2.5～2.7GHz不對稱功率輸入的Doherty功率放大器。采用飛思卡爾公司的MRF6S27015N LDMOS工藝晶體管，設(shè)計(jì)了一種采用offset line可變功率輸入的非對稱Doherty功率放大器。只需通過調(diào)整offset line就可調(diào)整輸入功率比，便于使系統(tǒng)調(diào)整到最合適的輸入功率比值。

Doherty；非對稱Doherty；Doherty原理；功率放大器

為了提高通訊系統(tǒng)的頻譜利用率，為用戶提供快速的數(shù)據(jù)傳輸和多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，現(xiàn)在的通訊系統(tǒng)采用寬帶的數(shù)字調(diào)制技術(shù)如BPSK、QPSK、QAM等，其峰均比都比較高［1］，這就需要發(fā)射機(jī)通道要使用高線性放大器，通常為滿足線性指標(biāo)使用AB類功放，但其效率極低不滿足節(jié)能要求。隨著線性化技術(shù)的發(fā)展：前饋技術(shù)、模擬預(yù)失真和數(shù)字預(yù)失真，隨著技術(shù)的發(fā)展和精力的投入數(shù)字預(yù)失真技術(shù)也逐漸成熟并廣泛應(yīng)用，這樣就有待于高效率功放的出現(xiàn)。提高效率的方法有小回退AB類功放、Doherty技術(shù)、Cheric技術(shù)、EER技術(shù)等，其中Doherty實(shí)現(xiàn)最為簡單，便于生產(chǎn)。

但隨著通信技術(shù)的發(fā)展，功率回退值越來越來，傳統(tǒng)的Doherty功率放大器已逐漸無法滿足未來更高速無線通信系統(tǒng)高峰均比的要求。為了改進(jìn)Doherty結(jié)構(gòu)滿足現(xiàn)今需求，本文中就設(shè)計(jì)了一種能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸入功率分配的Doherty結(jié)構(gòu)，并對非對稱輸出對Doherty的影響做了詳細(xì)分析。

1　非對稱Doherty結(jié)構(gòu)

1.1非對稱Doherty的分類

相對于經(jīng)典Doherty電路的對稱功放管的結(jié)構(gòu)非對稱Doherty的意義包括：非對稱功率輸入，非對稱晶體管，非對稱漏極供電等［2］。非對稱飽和點(diǎn)，又稱非對稱功率輸出，即主功放和輔助功放飽和輸出功率不等。由于經(jīng)典Doherty功率放大器主功放達(dá)到功率飽和時(shí)，輔助功放仍未能達(dá)到功率飽和，即輔助功放輸出功率相對主功放輸出功率低，所以通常采用輔助功放飽和輸出功率大于主功放飽和輸出功率的方法。非對稱飽和點(diǎn)一般與非對稱功率輸入同時(shí)使用，保證電路得到較高的效率。另外，非對稱飽和點(diǎn)Doherty功率放大器還能夠適應(yīng)于不同峰均功率比的信號(hào)。根據(jù)信號(hào)峰均功率比的大小，通過選擇合適的輸入功率和飽和功率比值α，可以使得功率放大器在回退信號(hào)峰均功率比值時(shí)正好達(dá)到主功放電壓飽和點(diǎn)，即第一次效率最高點(diǎn)，從而獲得較高的效率主功放達(dá)到功率飽和時(shí)，輔助功放漏極電流小于主功放的漏極電流，導(dǎo)致輔助功放最終輸出功率偏小。所以在實(shí)際實(shí)現(xiàn)非對稱Doherty功放時(shí)，功率比值的取值比理論計(jì)算值偏小。

1.2非對稱功率輸入對Doherty的影響

本節(jié)采用飛思卡爾公司的LDMOS晶體管MRF 6S27015N進(jìn)行仿真并對不同功率分配比PAE，IMD3的影響來進(jìn)行仿真研究.設(shè)計(jì)過程簡要介紹如下：1）根據(jù)芯片Datasheet和對于芯片模型仿真結(jié)果的綜合分析得到該功放管工作在AB類時(shí)，柵極電壓（VGS）2.63 V，靜態(tài)電流311 mA；2）工作在C類時(shí)，柵極電壓為1.55 V，無靜態(tài)電流。同時(shí)漏極電壓都為28 V；3）Loadpull和Sourcepull測出功放管的輸出和輸入阻抗；4）使用simth原圖進(jìn)行輸入輸出網(wǎng)絡(luò)匹配，匹配完成后用實(shí)際微帶線替換并進(jìn)行多次仿真確定微帶的實(shí)際的具體長寬；5）加入直流偏置電路后單管仿真；6）調(diào)試兩路Doherty電路并改變輸入功率分配比得到如下結(jié)果：

1）低功率狀態(tài)：

當(dāng)輸入低功率時(shí)，峰值功率放大器（輔助功放）截止只有載波功率放大器工作，此時(shí)設(shè)置載波功率放大器和峰值功率放大器的輸入功率分配比例為1：1，2：1，3：1，4：1和5：1，對其進(jìn)行效率和三階交調(diào)分別仿真，得到功率附加效率（PAE）和三階交調(diào)（IMD3）特性隨輸出功率和功率分配比的變化曲線。從圖一可以看出當(dāng)功率分配比為1：1時(shí)功率分配對Doherty結(jié)構(gòu)整體的PAE影響很小，且普遍大于功率分配比是1：1時(shí)。功率附加效率隨著輸出功率增大而增大，當(dāng)達(dá)到峰值后，功率分配效率不再增加而甚至呈下降趨勢。這是由于載波放大器工作在AB類，其理論最大效率為78.5%，但實(shí)際中不可能達(dá)到。所以在本例中，載波放大器達(dá)到峰值附加效率52.5%（功率分配比5：1）后就不在增加。此外從曲線中還可以看出功率分配比大于1：1是放大器達(dá)到最大PAE是的輸出功率基本相同。在PAE曲線末端，不同的功率分配比在具有相同的功率輸出時(shí)對應(yīng)的功率附加效率不同，比例越大從峰值點(diǎn)出曲線下降的就越快，而在1：1時(shí)PAE曲線一直保持上升的態(tài)勢，一直到最大輸出。功率分配比為2：1時(shí)，在達(dá)到相同較大輸出的時(shí)候放大器仍然保持了較高的功率附加效率。

圖1　低功率狀態(tài)下不同功率輸入的功率附加效率（PEA）Fig.1Power added efficiency of different power input low power state

輸入分配比不僅會(huì)影響放大器的功率附加效率，還會(huì)對交調(diào)特性產(chǎn)生影響。在不同功率分配比下三階交調(diào)隨輸入功率的變化如圖2所示。在輸入功率很低時(shí)，大于1：1的功率分配比情況下的三階交調(diào)特性要好于1：1的情況，但隨著輸入功率的增大，三階交調(diào)特性也在變壞。功率分配比大于1：1時(shí)，三階交調(diào)上升的速度比1：1時(shí)要快，最后的三階交調(diào)特性會(huì)比功率分配比是1：1時(shí)要惡化7 dB左右。這種情況是因?yàn)楣β史峙浔仍礁撸纸o載波放大器的功率越大，同時(shí)，載波放大器的輸出功率也就越高。輸入功率的加大會(huì)使放大器的非線性效應(yīng)增強(qiáng)，直觀表現(xiàn)就是三階交調(diào)特性的快速惡化。但在功率分配比為2：1時(shí)，三階交調(diào)特性一直保持著一個(gè)相對較低的水平，從這個(gè)方面看，對于實(shí)際的Doherty結(jié)構(gòu)放大器來說，存在一個(gè)最佳的功率分配比例，使得在峰值放大器未開啟前有最佳的交調(diào)特性。由PAE特性隨輸入功率的變化圖中可以得到，當(dāng)功率分配比為2：1時(shí)，放大器的功率附加效率會(huì)有最佳表現(xiàn)，在達(dá)到峰值功率附加效率后，仍然能夠保持該峰值效率后輸出更大功率。從上面的分析可以看出，對于使用Doherty結(jié)構(gòu)的放大器，在峰值放大器未開啟前，適當(dāng)調(diào)整載波放大器和峰值放大器的輸入功率分配比，可以得到較好的功率附加效率和三階交調(diào)特性。

圖2　低功率狀態(tài)下不同公分輸入的三階交調(diào)（IMD3）Fig.2The low power state under different input three order intermodulation

2）中功率狀態(tài)：

中功率狀態(tài)是載波放大器與峰值放大器都處于工作狀態(tài)，載波放大器電壓輸出達(dá)到飽和狀態(tài)，峰值放大器開啟。但是此時(shí)峰值放大器還沒達(dá)到飽和狀態(tài)所以分給峰值放大器更多功率可以提高PAE。將Doherty中載波放大器和峰值放大器的輸入功率分配設(shè)置為1：1，1：2，2：3，3：4，經(jīng)過仿真后得到不同輸入功率分配下的功率附加效率（PAE）對輸出功率變化的曲線如圖3所示。

圖3　中功率狀態(tài)下不同功率輸入比的功率附加效率（PAE）Fig.3In power under different input power than the power added efficiency

從圖3可以看出，在為完全飽和狀態(tài)是，給峰值功放分配的功率并沒有明顯提高整體的PAE，方等值放大器峰值放大器風(fēng)道的功率較高時(shí)由于輸出電流較小不能對載波放大器進(jìn)行足夠的負(fù)載調(diào)制，使得載波放大器沒有輸出更大的電流不能提高功率附加效率，甚至?xí)捎诜纸o載波放大器的功率很少時(shí)效率反而會(huì)下降這也說明了負(fù)載牽引在Doherty結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用。當(dāng)峰值功率放大器歲輸入功率增加而輸出更多電流后，對載波放大器的負(fù)載調(diào)制更深，使載波放大器在電壓飽和的情況下能夠輸出更多的電流給負(fù)載，因此提高了整體結(jié)構(gòu)的功率附加效率。由圖中可以看出當(dāng)輸入功率分配比（1：2，2：3，3：4）高于1：1時(shí)，在飽和輸出時(shí)的功率附加效率會(huì)更高大于等公分的情況。而且，向峰值放大器分配的的輸入功率越高飽和狀態(tài)下的功率附加效率也就越高。

圖4　中功率狀態(tài)下不同功率輸入比的三階交調(diào)（IMD3）Fig.4In power under different input power than the three orderintermodulation

當(dāng)載波放大器和峰值放大器同時(shí)工作時(shí)，輸入功率分配比對三階交調(diào)（IMD3）的影響可以從圖四得出。圖四的K值代指載波放大器和峰值放大器的輸入功率分配比例，分別為1：1、2：1、3：1、4：1、5：1。比值越高，代表分給載波放大器的功率越多，三階交調(diào)特性就越好。這種現(xiàn)象是因?yàn)檩d波放大器工作在線性度較好但效率不高的AB類，而峰值放大器工作在線性度不好［4］但效率較高的C類，分給工作在C類的峰值放大器越多的輸入功率，三階交調(diào)特性就越差。但是如若給載波放大器分配了過多了輸入功率，勢必會(huì)導(dǎo)致峰值放大器由于得不到足夠的輸入功率而不能輸出較大的電流來調(diào)制載波放大器，使得對載波放大器的調(diào)制不完全使載波放大器達(dá)不到電流飽和，降低了整體的功率附加效率。若分給峰值放大器過多的功率，那么由于C類放大器的線性度太差，嚴(yán)重惡化整體結(jié)構(gòu)的線性度。從圖六也能看出，在載波放大器和峰值放大器功率分配比為1：1的情況下要比功率分配比為5：1的情況惡化接近5 dB。另外由于在中功率狀態(tài)分析時(shí)已經(jīng)能看出當(dāng)達(dá)到飽和時(shí)的大功率狀態(tài)下的情況故此不再分析。

2　非對稱Doherty設(shè)計(jì)

2.1非對稱輸入Doherty

由上節(jié)分析可知非對稱功率輸入的Doherty相對于主/輔功放功率分配比1：1的情況對效率以及其他屬性上有較為明顯的優(yōu)勢，但是在不同的輸入功率情況下對整功放系統(tǒng)的影響有好有壞有高有低，在輸出40 dBm時(shí)，漏極效率超過3%.再往后的隨著主/輔功率分配比的增加，漏極效率幾乎不變，由于主功放的工作狀態(tài)決定了主功放的最高效率，因此在小功率狀態(tài)下，整體效率并不會(huì)隨著分配比的增大而一直提高.結(jié)合經(jīng)典Doherty功率放大器的原理分析可知，在小信號(hào)狀態(tài)下只有主功放工作，只有當(dāng)輸入功率達(dá)到一定值后，輔助功放才開始工作而此時(shí)主功放處于電壓飽和狀態(tài)，同時(shí)輔助功放不能輸出其最大功率，此時(shí)主、輔助功放的負(fù)載阻抗不能達(dá)到完全調(diào)制。因此，在小功率狀態(tài)下，經(jīng)典Doherty功率放大器中按1：1比例分配給輔助功放的輸入功率并沒有被放大，輔助功放并不會(huì)給負(fù)載阻抗提供輸出功率。同時(shí)，當(dāng)主功放進(jìn)入電壓飽和狀態(tài)后，應(yīng)當(dāng)減少對主功放的輸入功率，而增大輔助功放的輸入功率，這樣將提高Doherty功率放大器的效率。這樣就存在一個(gè)問題，要想在小功率狀態(tài)下進(jìn)入主功放的功率多，在大功率狀態(tài)下進(jìn)入輔助功放的功率多，Doherty功率放大器輸入端的功分器必須能動(dòng)態(tài)控制主、輔助功放的輸入功分比。而對于經(jīng)典功分器來說，功分比一旦確定之后就不能再變化，這樣就不能動(dòng)態(tài)控制主、輔助功放的輸入功率分配比。

2010年Jungjoom Kim提出并設(shè)計(jì)了一款Doherty功率放大器，其可以實(shí)現(xiàn)對輸入功率分配比的動(dòng)態(tài)控制［6］，在7.5 dB處的漏極效率可以達(dá)到51.27%.其電路結(jié)構(gòu)圖如圖五所示.在這個(gè)結(jié)構(gòu)中起到動(dòng)態(tài)分配功率的是長度為L的50歐姆offset line.在1 dB壓縮點(diǎn)處50歐姆的offset line對兩路功放的輸入阻抗沒有影響，因此可以保證功率分配比為1：1.在小功率狀態(tài)下，輔助功放處于截止?fàn)顟B(tài)，輸入阻抗是一個(gè)相當(dāng)大的值，而輔助功放的輸入阻抗值跟1 dB壓縮點(diǎn)一直，通過調(diào)節(jié)offset line的長度來實(shí)現(xiàn)想要的功率分配比。

圖5　可變輸入功率分配比的Doherty原理框圖Fig.5Variable input Doherty principle diagram than power allocation

2.2非對稱可變功率輸入的Doherty放大器設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的具體參數(shù)如下工作在2.5-2.7 GHz頻段，增益15 dB左右，增益平坦度小于1.5 dB，輸出信號(hào)回退：約6 dB，平均出書功率：40 dBm，漏極效率大于45%，三階交調(diào)系數(shù)（IMD3）小于-2.8 V。

首先根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求確定功放管選擇Freescale公司生產(chǎn)的LDMOS晶體管MRD6S27015N。其單管峰值輸出達(dá)到43 dBm，工作電壓28 V。并且其具有成本低、工藝成熟、增益高、高輸出功率等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是頻率低、線性度差。使用ADS2009軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，器件模型從官網(wǎng)下載。介質(zhì)基片的選擇也直接決定了微帶線物理特征，越厚的板材在實(shí)現(xiàn)相同的阻抗條件下，線寬越大從而導(dǎo)致電路體積越大，過薄的板材形變比較嚴(yán)重［8］。最終選擇羅杰斯4350B作為介質(zhì)基片，其主要參數(shù)相對介電常數(shù)為3.66，基片厚度為30 mil，金屬層厚度為35 μm。

具體設(shè)計(jì)過程如同經(jīng)典Doherty電路設(shè)計(jì)的一般方法［5］：1）單管靜態(tài)工作點(diǎn)確定和穩(wěn)定性測試；2）Loadpull和Sourcepull測出單管輸入輸出阻抗；3）偏執(zhí)電路設(shè)計(jì)以及輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)；4）單管調(diào)制與仿真；5）Doherty結(jié)構(gòu)搭建與調(diào)試；6）整機(jī)仿真測試；7）版圖設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化。具體過程不一一詳述。

3　Offset line長度確定

可變功率分配的Doherty功率放大器在輸入功率分配電路上與經(jīng)典結(jié)構(gòu)不同，這種功率分配起決定作用的是一段長為L的50歐姆微帶線，同過改變他的長度可以達(dá)到動(dòng)態(tài)控制輸入功率分配比的作用如圖六所示為使用MRF6S27015N晶體管仿真時(shí)L長度對功率分配比的影響示意圖.由圖可知輸入功率分配比隨著offset line［7］長度變化而變化，在飽和輸出功率點(diǎn)出的功率分配比接近1：1.通過對offset line長度的優(yōu)化，綜合考慮功率放大器輸出功率，效率與線性度，最終確定offset line產(chǎn)度為16.8 mm。

圖6　offset line長度（mm）對輸入分配比的影響Fig.6Offset line length（mm）effects on the inputdistribution ratio

確定完offser line長度后進(jìn)行搭建Doherty功率放大器的原理圖，經(jīng)反復(fù)優(yōu)化仿真后完成設(shè)計(jì)，經(jīng)測試分析后設(shè)計(jì)完成的Doherty功率放大器實(shí)物如圖七所示，在測試過程中主，輔功放漏極點(diǎn)呀均為28 V，主功放柵極電壓為2.85 V，此時(shí)漏極電流為160 mA，處于AB類偏置，輔助功放柵極電壓設(shè)定為晶體管開啟電壓2.0 V。

經(jīng)測試功率放大器的小信號(hào)增益約為14 dB，測試結(jié)果與仿真相差不大，與仿真相比較小信號(hào)增益比仿真數(shù)據(jù)小了約1個(gè)dB，飽和點(diǎn)輸出功率與仿真基本符合約為46 dBm左右，在功率回退點(diǎn)附近的漏極效率比仿真時(shí)略有下降，效率達(dá)到44%。測試結(jié)果表明，在6 dB功率回退點(diǎn)上整個(gè)頻段范圍內(nèi)漏極效率約為43%。符合指標(biāo)要求，至此設(shè)計(jì)完成。

圖7　最終完成的整機(jī)Fig.7The final machine

4　結(jié)論

通過對非對稱輸入Doherty的研究發(fā)現(xiàn)其對功率放大器的的效率和增益的影響根據(jù)前人研究設(shè)計(jì)了一款便于根據(jù)要求對輸入功率比進(jìn)行更改的Doherty功率放大器，經(jīng)實(shí)測其可有效的優(yōu)化功放性能。

［1］袁孝康，王仕踏，朱俊達(dá).微帶功率晶體管放大器［M］.北京：人民郵電出版社，1982.

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［3］赫崇駿，韓永寧，袁乃昌，等.微波電路［M］.北京：國防科技大學(xué)出版社，1999.

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Design and research of asymmetric power input Doherty power amplifier

CHENG Guang-wei，ZHOU Xu-dong
（School of Electronic Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi’an 710032，China）

In order to improve the efficiency of power amplifer in LTE base station system in the condition of high linear，Based on the ADS software design of the Doherty power amplifier，a frequency 2.5～2.7 GHz asymmetric power input.Thetransistor MRF6S27015N LDMOS process fly think of Carle company.The design of an asymmetric Doherty power amplifier using offset line variable power input.Only by adjusting the offset line can adjust the input power ratio，easy to make the system adjusted to the most appropriate input power ratio.

Doherty；asymmetrical Doherty；Doherty principle；PA

TN722.7

A

1674－6236（2015）09-0112-04

2014-08-21稿件編號(hào)：201408118

程光偉（1957—），男，遼寧本溪人，副教授，工程師。研究方向：通信與電子信息專業(yè)，射頻電路。