高效率F類Doherty功率放大器研究

劉國華，王維榮，范凱凱，程知群

（杭州電子科技大學(xué)電工電子國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，杭州 310018）

0 引言

隨著5G 技術(shù)的快速發(fā)展，對現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的工作效率和傳輸速率要求也越來越高，射頻功率放大器（Power amplifier，PA）作為整個(gè)無線通信系統(tǒng)的核心部件，對通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起著關(guān)鍵作用［1-5］。設(shè)計(jì)一款綜合性能突出的射頻功率放大器至關(guān)重要。

無線通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖强勺儼j(luò)信號，信號具有較高的峰值平均功率比（Peak to average power ratio，PAPR），實(shí)際通信基站要求在功率回退時(shí)有較高的效率，如何保持功率回退下的PA 效率是電路設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題。目前主要的技術(shù)有使用非線性組件的線性放大（Linear amplifier using nonlinear components，LINC）技術(shù)、Kahn 包絡(luò)消除與恢復(fù)、Doherty［6-11］、包絡(luò)跟蹤等技術(shù)，在這些方法中，Doherty技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、成本較低、對于系統(tǒng)的線性度影響小等優(yōu)點(diǎn)。

為使Doherty 功率放大器（Doherty Power Amplifier，DPA）在功率回退時(shí)具有更高的傳輸效率，本文將高效率F類功率放大器與Doherty 功率放大器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了F 類DPA。設(shè)計(jì)一款工作頻帶為1.7～1.9 GHz的射頻功率放大器，其飽和輸出功率大于43 dBm，平均飽和效率超過70%，功率回退6 dB 時(shí)的效率大于50%。

1 F類Doherty理論分析與設(shè)計(jì)

1.1 F類DPA理論

F類功率放大器歸一化的漏極電壓和電流的表達(dá)式為［12］：

通過式（1）、（2）可以得到F類功率放大器的基波阻抗表達(dá)式為：

式中：Udc為漏極電壓；Imax為漏極電流最大值。諧波阻抗為：

由以上理論分析可知，F(xiàn) 類功率放大器主要是通過對漏極輸出電壓、電流波形進(jìn)行整形，使得電壓為方波，電流為半正弦波，其漏極電壓、電流波形如圖1 所示，并且漏極電流與電壓波形在時(shí)域上無交疊。F 類功率放大器功率管無直流功率消耗。漏極電壓奇次諧波開路，偶次諧波短路，在諧波頻點(diǎn)也沒有功率消耗。理論上漏極效率可以達(dá)到100%［13-14］。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本等問題，對F 類功率放大器只控制到3 次諧波。

圖1 F類漏極電壓與電流波形

Doherty功率放大器從結(jié)構(gòu)上主要分為非對稱和對稱兩種。DPA的原理分析如圖2 所示［15］。

圖2 Doherty功率放大器原理圖

主輔功放分別以電流源i1和i2表示。假設(shè)：

式中，ζ為回退因子，0 ＜ζ ＜1。當(dāng)輸入功率介于小信號狀態(tài)和大信號狀態(tài)之間的臨界點(diǎn)時(shí)，ζ ＝0，當(dāng)輸入功率達(dá)到飽和點(diǎn)時(shí)，ζ ＝1。對于對稱式Doherty，阻抗、ZP可以分別表示為：

當(dāng)Doherty達(dá)到飽和時(shí)，I1T＝I2＝Imax／2，匯合點(diǎn)兩邊負(fù)載都是＝ZP＝Ropt。λ／4 微帶線兩端等電勢，所以兩端電壓與電流可表示為：

通過推導(dǎo)最終可以得到主功放輸出電壓中基波分量為：

1.2 F類DPA設(shè)計(jì)過程

F類功率放大器主要是通過抑制諧波來達(dá)到高效率，諧波控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要：通過負(fù)載牽引技術(shù)對功率管進(jìn)行諧波牽引與基波負(fù)載牽引，牽引得出的結(jié)果見表1，當(dāng)3 次諧波以后，功率附加效率（Power added efficiency，PAE）增幅明顯減小，同時(shí)會提高設(shè)計(jì)復(fù)雜度和PCB 制板成本。本次設(shè)計(jì)只控制到3 次諧波，通過優(yōu)化調(diào)諧，基波、2 次諧波、3 次諧波阻抗分別選取為（16.35 ＋j24.23）Ω、（0 ＋j67.52）Ω、（1.941 ×10-13＋j728.386）Ω。

表1 負(fù)載牽引功率效率與阻抗關(guān)系表

在進(jìn)行諧波控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，將基波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗分別匹配到上述3 個(gè)阻抗值，設(shè)計(jì)的諧波控制網(wǎng)絡(luò)如圖3（a）所示。經(jīng)過仿真，由圖3（b）可見，諧波阻抗匹配良好。

圖3 諧波控制網(wǎng)絡(luò)和仿真數(shù)據(jù)

在進(jìn)行F 類Doherty 功放整體電路設(shè)計(jì)時(shí)，Doherty結(jié)構(gòu)是由載波功放和峰值功放組成，需要用到功率合成和功率分配技術(shù)，這里采用威爾金森功分器，其微帶結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，其中Z0、Z02、Z03分別表示3 段微帶線的特征阻抗。

設(shè)功分器功率分配比為K2，則有：

在本次設(shè)計(jì)中使用的是等分功分器，即K＝1。此時(shí)Z02＝Z03＝，R＝2Z0，輸出端阻抗匹配到Z0，可以計(jì)算出微帶線參數(shù)，設(shè)計(jì)的功分器如圖4（b）所示。參數(shù)優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖4（c）所示?？梢?，在1.7～1.9 GHz 頻帶內(nèi)，S21約為3 dB，S11基本小于-30 dB。

圖4 功分器結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果

將Doherty峰值功放直流工作點(diǎn)選取在C類狀態(tài)，同時(shí)峰值功放的工作電壓取值應(yīng)使得DPA在回退5～6 dB 時(shí)仍可以保持較高的效率。低功率輸入階段，峰值功放不工作，根據(jù)λ／4 微帶線阻抗轉(zhuǎn)換理論，載波功放的輸出負(fù)載為100 Ω，是單路功率放大器輸出負(fù)載的2 倍，所以當(dāng)輸出電流達(dá)到單路功放飽和電流的1／2 時(shí)，輸出電壓就達(dá)到了飽和，功率輸出有3 dB的回退，正是由于電壓的提前飽和，載波功放可獲得較高的輸出功率。此時(shí)，峰值功放開始工作，載波路的輸出電壓一直處于飽和狀態(tài)，同時(shí)輸出電流增大，并且由負(fù)載牽引后的載波路負(fù)載阻抗值有所減小，所以載波路的效率仍然處于較高值。因?yàn)榉逯倒Ψ殴ぷ髟贑類狀態(tài)，所以整體效率一直保持在較高狀態(tài)。將峰值功放的柵極工作電壓設(shè)置為-6 V，當(dāng)滿足載波功放飽和輸出功率回退3 dB時(shí)峰值功放開啟。

通過以上載波功放、峰值功放、功分器的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行連接，優(yōu)化調(diào)整F類DPA整體電路。由于載波功放與峰值功放存在相位問題，所以需要加入相位補(bǔ)償線，同時(shí)，該補(bǔ)償線的另一個(gè)作用是，當(dāng)在低輸入功率狀態(tài)時(shí)，峰值功放工作在開路狀態(tài)，避免了載波功放功率的損耗。

2 F類Doherty制作與測試

F類Doherty整體電路結(jié)構(gòu)和在PCB 上加工后的實(shí)物照片如圖5 所示?；宀捎玫氖荝ogers4350B，其相對介電常數(shù)為3.66，厚度為0.762 mm，覆銅厚度為35 μm，晶體管型號為GaN HEMT CGH40010F。

圖5 F類Doherty整體電路結(jié)構(gòu)和實(shí)物照片

圖6（a）、（b）分別為飽和與回退功率時(shí)的仿真和測試數(shù)據(jù)對比圖，由圖6（a）可見，在1.7～1.9 GHz頻帶內(nèi)的飽和功率均大于43 dBm，最大值可以達(dá)到44.66 dBm，平均漏極效率在70%以上。圖6（b）為輸出功率回退5～6 dB 后的測試結(jié)果。由圖中可見，在1.8 GHz中心頻點(diǎn)處，漏極效率與輸出功率最大，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)平均回退效率大于50%。

圖6 仿真和測試結(jié)果對比圖

測試結(jié)果表明，在1.7～1.9 GHz的頻帶內(nèi)飽和輸出功率可以達(dá)到44.66 dBm，回退時(shí)的平均漏極效率在50%以上，展示出了良好的性能。

3 結(jié)語

通過將高效率F 類功放與Doherty 結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一款頻段為1.7～1.9 GHz 的功率放大器。測試結(jié)果表明，該功率放大器在飽和功率與回退功率時(shí)均保持了較高的效率，可潛在應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中，該設(shè)計(jì)方法具有一定的創(chuàng)新性。該電路結(jié)構(gòu)簡潔，易于實(shí)現(xiàn)，具有很好的應(yīng)用前景。