應(yīng)用于無(wú)線通信基站的Doherty功率放大器

張 鑫，王 斌，熊梓丞，滕 江

(重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

為了滿足無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咭?，調(diào)制信號(hào)需要較高的均峰比，這就需要所設(shè)計(jì)射頻功率放大器(power amplifier,PA)在具有信號(hào)放大功能的同時(shí)具有高功率回退范圍和高效率等特點(diǎn)。而提高功率放大器效率的方法有很多，Doherty技術(shù)就是其中一個(gè)典型代表[1]。Doherty功率放大器與其他高效率放大器相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、成本低廉的特點(diǎn)[2-3]。因此，Doherty技術(shù)成為了提高功率放大器效率的主要手段，近年來(lái)，眾多科研人員都致力于借助該技術(shù)提高功率放大器效率，并且在該方面的研究均取得了不錯(cuò)的成果。此外，還有很多國(guó)內(nèi)外科研人員在傳統(tǒng)Doherty結(jié)構(gòu)的前提下提出了不同的提高效率的方法。如文獻(xiàn)[4-5]中提出了一種利用連續(xù)模式的Doherty結(jié)構(gòu)，該方法可以在保證一定帶寬的前提下使功放獲得較高的效率。

結(jié)合Doherty功率放大器的基本理論，本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于無(wú)線通信基站的非對(duì)稱Doherty功率放大器。經(jīng)過(guò)對(duì)該放大器的仿真優(yōu)化和加工實(shí)物調(diào)試，得到該功率放大器在2.11～2.17 GHz工作頻段的峰值功率達(dá)到51 dBm，增益為13.5 dB，并且得到了大于7 dB的功率回退范圍，在7 dB功率回退點(diǎn)上的功率附加效率(power-added efficiency，PAE)大于35%。

1 Doherty放大器分析

傳統(tǒng)對(duì)稱Doherty功率放大器電路示意圖如圖1所示。Doherty功率放大器主要由4個(gè)部分組成：功分器、主放大器、輔助放大器和信號(hào)合路[6]。其中，功分器用于將信號(hào)分別輸入到主放大器與輔助放大器中；主放大器工作在AB類工作狀態(tài)，輸出端接1/4波長(zhǎng)傳輸線；輔助放大器工作在C類工作狀態(tài)，輸入端接1/4波長(zhǎng)傳輸線；信號(hào)合路部分用于將主放大器與輔助放大器放大的信號(hào)融合。對(duì)于傳統(tǒng)的對(duì)稱Doherty功率放大器，功分器功率分配比為1∶1，并且主放大器與輔助放大器選用相同的晶體管。

傳統(tǒng)對(duì)稱Doherty功率放大器理論上只可以提供6 dB的回退功率，而當(dāng)前許多調(diào)制信號(hào)的均峰比都大于6 dB，因此，許多科研人員選擇對(duì)Doherty功率放大器進(jìn)行改進(jìn)以提高功率回退范圍，主要思路為調(diào)整主功放與輔助功放之間的功率比[7]。而為了獲得較大的功率回退范圍，一些科研人員提出了非對(duì)稱Doherty結(jié)構(gòu)的功率放大器，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)選擇更高的功分器功率分配比例，使輔助功放得到的輸入功率相對(duì)更高。同時(shí)，本文選擇使用不同的主功放管與輔助功放管，其中，輔助功放管的峰值功率為100 W，而主功放管的峰值功率為80 W，這樣的設(shè)計(jì)可以使Doherty功放在工作時(shí)得到更高的峰值功率，從而提高功率回退范圍。此外，在設(shè)計(jì)主功放與輔助功放的匹配電路時(shí)，使用了 “一”字型匹配方式，該匹配方式與傳統(tǒng)的“T”型和“π”型匹配相比前期設(shè)計(jì)更加快捷，后期調(diào)試更加方便，提高了整個(gè)功放的設(shè)計(jì)效率。

2 Doherty功率放大器仿真

本文根據(jù)非對(duì)稱Doherty功率放大器理論，仿真設(shè)計(jì)了一款工作頻率選擇為2.11～2.17 GHz的功率放大器，并對(duì)其進(jìn)行了加工和測(cè)試。2.11～2.17 GHz頻段為當(dāng)代無(wú)線通信系統(tǒng)中的重要頻段，國(guó)內(nèi)外許多地區(qū)均采用該頻段作為長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution, LTE)通信系統(tǒng)的下行頻段。同時(shí)，傳統(tǒng)無(wú)線通信基站要求功率放大器模塊增益與效率盡量高，增益平坦度小于1 dB，且在附加提高線性度措施后的鄰道泄漏功率比小于-30 dBc。

結(jié)合無(wú)線通信基站對(duì)于功率放大器設(shè)計(jì)的要求，本文確定仿真時(shí)的Doherty功放增益大于15 dB，功率回退范圍大于9 dB，峰值輸出功率達(dá)到53 dBm。基于此，本文選擇恩智浦公司的MRF7S21080H作為主功放，MRF8S21100H作為輔助功放；選擇板材為Rogers4350B，厚度為0.508 mm。仿真時(shí)借助仿真軟件ADS提供的全套電磁仿真方案，可以分別進(jìn)行理想情況下的原理圖仿真和與實(shí)際更為吻合的版圖聯(lián)合仿真，仿真測(cè)試時(shí)主要通過(guò)放置諧波、S參數(shù)、穩(wěn)定性等仿真控件分別測(cè)試設(shè)計(jì)電路的輸出功率及效率、匹配狀態(tài)、穩(wěn)定性等，以檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的電路是否滿足要求。

仿真設(shè)計(jì)時(shí)主要分為4個(gè)步驟：功分器設(shè)計(jì)、主功放設(shè)計(jì)、輔助功放設(shè)計(jì)與添加調(diào)試線調(diào)試。首先設(shè)計(jì)功分器，功分器設(shè)計(jì)時(shí)選擇功率分配比例為1∶2，這樣可實(shí)現(xiàn)使更多功率輸入到輔助功放中；其次設(shè)計(jì)主功放與輔助功放，主功放與輔助功放的設(shè)計(jì)方式相同，但主功放的靜態(tài)工作點(diǎn)需結(jié)合數(shù)據(jù)手冊(cè)仿真得到，而輔助功放的供電電壓需結(jié)合最終整體電路的調(diào)試結(jié)果得到；最后添加調(diào)試線與合路部分進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試線的添加是為了調(diào)整Doherty功放的整體性能，具體長(zhǎng)度需要結(jié)合調(diào)試結(jié)果予以優(yōu)化[8]。

在功放的電路設(shè)計(jì)中，靜態(tài)工作偏置點(diǎn)的選取保證了功放管的穩(wěn)定工作。本文利用ADS軟件仿真后確定了主功放晶體管的漏極與源極電壓為28 V，柵極與源極電壓為2.8 V，漏極靜態(tài)電流為700 mA。射頻功率放大器的輸入與輸出匹配是設(shè)計(jì)的核心步驟，而輸入輸出匹配在設(shè)計(jì)時(shí)首先需要找到晶體管的輸入輸出阻抗。晶體管廠商都會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)上提供參考的阻抗值，該阻抗值簡(jiǎn)單實(shí)用。但是ADS軟件中提供了負(fù)載牽引仿真與源牽引仿真，這樣可以根據(jù)廠商提供的晶體管模型而靈活地找出所需頻率的阻抗值?？紤]到為了后期實(shí)物便于調(diào)試，本文在利用Smith原圖匹配時(shí)，主功放與輔助功放的輸入輸出匹配均采用了“一”字型的匹配方式。輔助功放與主功放的設(shè)計(jì)方法相同，但是工作點(diǎn)需選擇在C類功放工作的工作點(diǎn)。

主功放與輔助功放設(shè)計(jì)完成后需要對(duì)補(bǔ)償線和調(diào)試線進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先在主功放輸出端和輔助功放輸入端分別添加1/4波長(zhǎng)微帶線，完成Doherty的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)需要保證小信號(hào)時(shí)輔助功放輸出端的低阻抗轉(zhuǎn)換為高阻抗，并且防止主功放輸出信號(hào)泄露。其次需要分別在主、輔功放輸出輸入端添加調(diào)試線以優(yōu)化功放整體性能。同時(shí)，為獲得最佳性能與更合理的版圖設(shè)計(jì)，調(diào)試線與補(bǔ)償線的長(zhǎng)度需要反復(fù)不斷地調(diào)整。

為了驗(yàn)證所選用的非對(duì)稱Doherty結(jié)構(gòu)在性能上優(yōu)于對(duì)稱Doherty結(jié)構(gòu)，本文特地在對(duì)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)Doherty功放進(jìn)行仿真的同時(shí)，還仿真了一款傳統(tǒng)對(duì)稱Doherty結(jié)構(gòu)的功放用來(lái)做對(duì)比。該對(duì)稱Doherty結(jié)構(gòu)功放的工作頻率與所設(shè)計(jì)的非對(duì)稱Doherty結(jié)構(gòu)功放相同，且所選擇的晶體管為2個(gè)型號(hào)完全相同的晶體管MRF8S21100H。經(jīng)過(guò)仿真調(diào)試，非對(duì)稱Doherty功放的仿真結(jié)果如圖2所示，其中，圖2a為本文所設(shè)計(jì)的非對(duì)稱Doherty功放與傳統(tǒng)對(duì)稱Doherty功放的大信號(hào)仿真結(jié)果對(duì)比。

對(duì)比仿真結(jié)果表明，非對(duì)稱Doherty結(jié)構(gòu)功放的增益超過(guò)16 dB，峰值輸出功率達(dá)到53 dBm，在峰值功率處的PAE為60%，同時(shí)在10 dB功率回退點(diǎn)上效率達(dá)到43%。而傳統(tǒng)的對(duì)稱Doherty功放雖然增益與本文所設(shè)計(jì)的功放基本一致，但是功率回退范圍僅為6 dB，峰值功率效率低了5%，而且在10 dB功率回退點(diǎn)上效率僅為35%。經(jīng)上述仿真驗(yàn)證得到，非對(duì)稱Doherty結(jié)構(gòu)在功率回退范圍上具有一定的優(yōu)勢(shì)。從圖2b可以看出，本文設(shè)計(jì)的非對(duì)稱Doherty功放的S參數(shù)仿真結(jié)果處在一個(gè)良好的水平，S11在2.11～2.17 GHz的工作頻段小于-25 dB。

圖2 非對(duì)稱Doherty功放仿真結(jié)果圖Fig.2 Simulated results of asymmetrical PA

3 Doherty功率放大器實(shí)物調(diào)試

仿真完成后，對(duì)功率放大器進(jìn)行實(shí)物加工并調(diào)試測(cè)試。將實(shí)物原理圖轉(zhuǎn)化為電路版圖時(shí)需要添加接地過(guò)孔、螺絲孔、元器件焊盤等。實(shí)際電路板背部為覆銅面，在電路板正面空余的地方也需設(shè)置部分地，這樣可以對(duì)電路的走線形成包裹從而達(dá)到電磁保護(hù)的作用；接地過(guò)孔將整個(gè)覆銅面與電路板正面的地連接起來(lái)；螺絲孔用于將散熱板與電路板固定在一起；元器件焊盤的添加確定了器件焊接的位置。整個(gè)電路版圖設(shè)計(jì)完成后需要再次借助ADS軟件內(nèi)的版圖與原理圖聯(lián)合仿真，以確保版圖的仿真結(jié)果盡量小地惡化。

需要注意的是過(guò)孔的不合理添加與元器件的焊接位置都會(huì)對(duì)最終實(shí)物的性能起到?jīng)Q定性作用，如果整體電路設(shè)計(jì)不合理可能引起電路不穩(wěn)定，嚴(yán)重的會(huì)燒毀功放管，甚至測(cè)試儀器。同時(shí)，針對(duì)本文所選擇功放管的封裝，電路板制作時(shí)需要將板材鏤空，這樣可保證功放管的襯底完全接觸到下方的散熱板，且功放管接地良好。圖3與圖4分別為本功率放大器的電路版圖與實(shí)物圖。整個(gè)功率放大器的版圖加工為外協(xié)加工，而電路板的組裝與元器件焊接皆為作者自行操作。

圖3 非對(duì)稱Doherty電路版圖Fig.3 Circuit diagram of asymmetrical Doherty PA

圖4 非對(duì)稱Doherty電路實(shí)物圖Fig.4 Photograph of asymmetrical Doherty PA

同時(shí)，對(duì)于大功率功率放大器，電路的散熱問(wèn)題也是不可忽視的。本文專門為電路設(shè)計(jì)了鋁制散熱接地板，該鋁制板大小與電路板一致，厚度達(dá)到2 cm。但是，由于功放管襯底與電路板材厚度不一致，導(dǎo)致安裝散熱板后電路板在功放管附近無(wú)法完全與散熱板貼合，造成功放管接地不良，引起低頻振蕩，使整個(gè)電路無(wú)法正常工作。在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)了該問(wèn)題之后，本文又重新設(shè)計(jì)了散熱板，在需要固定功放管的地方分別挖出1 mm的凹槽，這樣既保證了功放管的襯底可以完整地固定在散熱板上，也解決了電路板在功放管附近無(wú)法完全與散熱板貼合的問(wèn)題。

由于功放管柵極與源極電阻值很大，僅需少量靜電就會(huì)使柵極與源極之間的等效電容兩端產(chǎn)生很高的電壓，如不及時(shí)把這些少量的靜電瀉放掉，柵極與源極兩端的高壓就有可能使功放管產(chǎn)生誤動(dòng)作，甚至有可能擊穿功放管[9-10]。本文為保護(hù)功放管，選擇在柵極偏置上添加接地電阻把上述的靜電瀉放掉。同時(shí)為了防止電路不穩(wěn)定，產(chǎn)生自激，本文在功放管柵極偏置與輸入匹配的連接處添加了限流電阻[11]。后期的調(diào)試與測(cè)試過(guò)程中，整個(gè)電路工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)燒毀功放管和儀器的問(wèn)題。

此外，對(duì)電路調(diào)試環(huán)節(jié)的預(yù)設(shè)計(jì)也是必不可少的。文獻(xiàn)[12]中，便是由于在電路設(shè)計(jì)時(shí)缺少對(duì)于調(diào)試環(huán)節(jié)的有效設(shè)計(jì)，造成在調(diào)試時(shí)遇到很多阻礙，最終無(wú)法更有效地提高功放實(shí)物的功率回退范圍與效率。本文為了后期調(diào)試方便，在電路空閑處添加了適量的調(diào)試塊。一部分的調(diào)試塊用于調(diào)整功放的輸入、輸出匹配；另一部分調(diào)試塊用于后期動(dòng)態(tài)調(diào)整電路中調(diào)試線的長(zhǎng)度。本文預(yù)計(jì)在實(shí)物調(diào)試階段使用調(diào)試塊調(diào)試，可以節(jié)省大量的調(diào)試時(shí)間，并且在調(diào)試過(guò)程中可以提高所修改調(diào)試線的計(jì)算精確度，得到較好的結(jié)果。而后期的調(diào)試工作也證明了這些調(diào)試塊的設(shè)計(jì)可以較大地提升測(cè)試工作效率。

最終的非對(duì)稱Doherty功放實(shí)物測(cè)試結(jié)果如圖5所示。在工作頻段為2.11～2.17 GHz時(shí)，該Doherty功率放大器的S11小于-15 dB，S21約為13 dB。

大信號(hào)測(cè)試時(shí)被測(cè)功放需要前接驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器，后接衰減器。其目的是在保證測(cè)試儀器安全的條件下完整地測(cè)得所需數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)選擇2.11 GHz，2.14 GHz，2.17 GHz 3個(gè)頻點(diǎn)依次測(cè)試。從圖5中可以看出，該功放增益約為13.5 dB，峰值功率為51 dBm，功率回退范圍達(dá)到7 dB，功率回退范圍內(nèi)PAE大于35%。同時(shí)，在工作頻段內(nèi)增益平坦度基本小于1 dB。

實(shí)物的測(cè)試數(shù)據(jù)較仿真結(jié)果雖有惡化，但是仍然可以得到較大的功率回退范圍，該功率回退范圍仍然大于傳統(tǒng)對(duì)稱Doherty功放的理論功率回退范圍。

表1為本文與近年來(lái)其他文獻(xiàn)中所設(shè)計(jì)的Doherty功放的性能對(duì)比。其中，文獻(xiàn)[11]采用的是對(duì)稱的Doherty結(jié)構(gòu)，最終測(cè)試得到的功率回退范圍僅有4 dB。該文獻(xiàn)中的輸出匹配方式與本文所采用的“一”字型匹配有所不同，采用了有集總元件參與的“π”型匹配方式，這樣的匹配方式可能會(huì)造成實(shí)物調(diào)試時(shí)存在較大的限制；并且文獻(xiàn)[11]中的功分器采用1∶1的功率分配比，這樣在提高峰值輸出功率上會(huì)受到一定局限。相比之下，本文所采用的非對(duì)稱Doherty結(jié)構(gòu)與“一”字型匹配方式在高效率Doherty設(shè)計(jì)中可有效提高功率回退范圍，并有利于功放實(shí)物的后期調(diào)試。文獻(xiàn)[13-14]中設(shè)計(jì)的功率放大器與本文所設(shè)計(jì)的放大器工作頻率接近，但功率回退范圍均小于7 dB，且文獻(xiàn)[12]中的功放峰值效率僅為37%，低于本文設(shè)計(jì)的功放的峰值效率。文獻(xiàn)[15-16]中所設(shè)計(jì)的功放與本文設(shè)計(jì)的功放工作頻率相同，其中文獻(xiàn)[16]雖然效率較高，但是功率回退范圍僅為6 dB。根據(jù)對(duì)表1中數(shù)據(jù)的分析對(duì)比可以看出，本文設(shè)計(jì)的功率放大器可以獲得較寬的功率回退范圍，并且峰值效率達(dá)到了42%。相較于其他文獻(xiàn)中所設(shè)計(jì)的功率放大器，本文所設(shè)計(jì)的功率放大器在保證了足夠的峰值效率的同時(shí)，得到了較高的效率和峰值效率，在拓寬功率回退范圍方面達(dá)到了較高的水平。并且，功率回退范圍、增益與峰值效率等指標(biāo)在設(shè)計(jì)時(shí)具有一定程度上的相互制約，需結(jié)合所選擇的功放晶體管型號(hào)在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行折中考慮。

表1 本文與其他文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的Doherty功放器性能對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于無(wú)線通信基站的Doherty功率放大器。該放大器在保證了增益和效率的基礎(chǔ)上，有效地拓寬了功率回退范圍。最終的Doherty功率放大器實(shí)物測(cè)試達(dá)到了7 dB的功率回退，并且在功率回退范圍內(nèi)PAE在35%以上，峰值功率效率達(dá)到42%。該Doherty功率放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且性能良好，同時(shí)可以結(jié)合其他提高線性度的方法以獲得更好的線性度。本文工作將為無(wú)線通信基站中Doherty功率放大器的設(shè)計(jì)提供一定的理論與測(cè)試參考。