模拟预失真与Doherty技术结合研究

方 伟

(船舶重工集团公司723所,扬州225001)

0 引 言

随着第3代移动通信技术的提出,各种新的调制方式被广泛应用,比如二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)、正交振幅调制(QAM)等。其信号的功率峰均比相当高,因此对功放的线性度提出了更高的要求;而使用传统的回退方式来满足这样高线性度的要求就需要加大回退,这就势必大幅降低功放的效率。

在各种功率放大器的线性化技术中,预失真技术由于其成本低、线性化效果明显,成为被广泛研究和采用的方式。而在提高功放效率的技术中,Doherty技术也成为目前主流的提高功率放大器输出效率的方式。将这两项技术进行结合可以对功率放大器进行最大的优化,充分发挥功率放大器的性能,实现以往传统功放或者单一技术功放所不能实现的性能。

1 基本原理

1.1 模拟预失真的基本原理

模拟预失真是一种原理比较简单的功放线性化技术,通过在功率放大器前面串联一个模拟器件,使该模拟器件的非线性特性与功放的非线性特性相反,抵消部分功放的非线性输出,从而达到改善功放输出的线性度。这种传统意义的模拟预失真技术虽然原理简单,可是由于不同功放的线性失真情况不尽相同,所以模拟预失真器件的选取和调试都较复杂,实际操作时较难实现,同时效果也不太显著。如图1所示,为了解决这个问题可以在功放的输出端加入一个反馈线,通过耦合一部分功放的信号来提取功放的非线性特性,再通过数字信号处理(DSP)将一个适合的失真信号加入到输入端,这样就很容易使这个器件适用于大多数功率放大器,在更宽的功率范围内对功放的线性指标进行改善,从而更好地改善线性指标。

图1 模拟预失真原理框图

1.2 Doherty功放原理

Doherty功率放大器技术是由贝尔实验室的William H Doherty在1936年提出的。其应用于真空管中,目的是为低平均效率的传统振幅调制提高效率。经典的二级Doherty结构框图如图2所示。

图2 经典Doherty功放原理框图

其中包括2个放大器:主(载波)放大器和辅助(峰值)放大器。2个放大器并行连接,主放大器串接一条λ/4的传输线,起阻抗变换作用,辅助放大器前λ/4传输线用于补偿由主放大器输出的λ/4的传输线引起的相移。

主放大器偏置在B类模式,而辅助放大器偏置在C类模式。Doherty功率放大器结构的基本工作原理可在低、中、峰值输出功率区域加以区分。低功率状态时,输入信号比较小,辅助放大器截止,只有主功放处于工作状态;到达中功率时,主功放的输出电压达到峰值饱和点时,理论上的效率可以达到78.15%。

如果此时将激励加大,那么工作在C类模式的辅助放大器开始工作。由于辅助放大器工作后的牵引,主功放的负载减小,所以尽管载波放大器的输出电压饱和,输出功率还会随着负载的减小而持续增大。当达到激励的峰值时,辅助放大器也达到了饱和点。单个B类功放的最大效率出现在峰值处,而采用Doherty技术可以使主放大器在饱和输出点处功率回退6 dB的情况下获得和输出饱和功率一样高的效率。

2 功率放大器的设计

本文采用的是Freescale公司的 LDMOS晶体管,型号是PRF8S21120HS。该晶体管的典型增益为17.5 dB,1 dB压缩点为50.8 dBm。设计的频段为2 140～2 170 MHz,这段频率目前为世界通用的移动通信宽带码分多路访问(WCDMA)的范围,衡量WCDMA功率放大器的线性指标为邻道抑制比(ACLR)。

2.1 模拟预失真设计

模拟预失真部分采用的是Scintera公司的SC1887预失真芯片,这款芯片可在 540～3 250 MHz范围内对小信号进行预失真处理。芯片主要由1个无失真信号输入端、1个失真信号输出端和1个功放输出信号耦合端组成。此芯片要求无失真信号的输入在4 dBm左右,而功率放大器的耦合输出在-14 dBm左右,这样可以使芯片输出更好的失真信号,从而最大化地改善线性指标。通过调整驱动级的增益和功率放大器耦合信号的大小可以比较容易地实现以上要求。

由于模拟预失真器件串联在射频链路中,而在进行预失真信号的处理时需要一定的时间,所以就不可避免地出现无失真的原始信号和模拟产生的失真信号在射频链路上的叠加,这样会严重影响预失真的效果。为了解决这个问题,在无失真输入信号和失真输出信号之间加入1段延时线,通过计算加入1段4 ns的延时线,这样就有效避免了2种信号的互相干扰。如图3所示,通过仿真发现,在输出相同功率的时候,使用此预失真方法可以改善功放线性10 dBc左右。

图3 采用预失真技术功放前后线性对比图

2.2 Doherty功放设计

功放设计通常采用的是负载牵引技术,强调了负载阻抗对电路输出功率和效率的影响,却常常忽略了源阻抗对它的影响。本文在设计单管功率放大器时,采用先进设计系统(ADS)软件对该管的ADS模型进行双向牵引(源牵引、负载牵引)仿真,相对于传统的负载牵引仿真,它能更好地提高功放的效率和增益。通过对源牵引和负载牵引仿真的值进行反复迭代,最终得到一组最佳的输入阻抗和输出阻抗。通过运用ADS软件中的Smith圆图匹配工具设计匹配网络,将输入阻抗和输出阻抗匹配到50 Ω。

单管放大器设计完后,由于Doherty放大器的主放大和辅助放大匹配电路相同(区别只在于栅极电压不同),系统设计中主要对补偿线设计。补偿线的主要功能是在小信号时将辅助功放的小阻抗变换成大阻抗,对主功放实现开路状态。通过仿真,最后发现补偿线的长度为6 mm时,效率、增益和线性度都能较好地满足设计要求。对Doherty功率放大器电路仿真优化时,漏极和栅极供电为主功放漏极28 V,栅极2.8 V;辅助功放漏极为 28 V,栅极1.4 V,主功放工作点电流为0.84 A。

图4是PRF8S21120HS功率放大器在2 140 MHz时的增益曲线,由于Doherty放大器中的峰值放大器为C类工作状态,在小信号状态下不工作,在大信号状态下增益也相对AB类小,因此Doherty放大器增益相比Freescale公司给出的晶体管增益典型值会有压缩。由图5可看出,Doherty放大器在1 dB压缩点附近时的效率为55%,回退6 dB时的效率为41%,较传统功放有20%的提升。

图4 PRF8S21120HS输出增益曲线

图5 PRF8S21120HS输出效率图

3 实验验证

使用Rogers4350射频板作为基板,Freescale公司的MHVIC915NR2功放管作为推动级功放,按照PRF8S21120HS典型电路搭建Doherty电路,并在MHVIC915NR2前加入SC1887芯片。

通过上述电路设计测试了功率放大器的线性与效率图表,从图6可以发现在模拟预失真与Doherty功放的共同作用下,输出功率为44 dBm时,功放效率达到38%,虽与仿真结果有些出入,但总体上结果较为吻合,能够反映出设计的目标。

图6 结合预失真与Doherty功放效率图

4 结束语

通过原理分析、软件仿真和实验结果表明,预失真技术和Doherty技术共同应用能够大幅提高功率放大器的输出效率,改善线性指标。随着现代通信对功率放大器的线性和效率要求越来越高,这种多技术的融合运用将成为未来功放发展的趋势。

[1]卢建华,吴光彬.基于LM124交流发电机电压调节器的设计[J].半导体技术,2002,27(4):68-71.

[2]王远.模拟电子技术[M].北京:机械工业出版社,2001.

[3]卢建华,吴光彬,王立元.28026G型球形指示器电子部件国产化[J].兵工自动化,2003,22(5):74-76.

[4]陈会,张玉兴.基于多谐波双向牵引技术的微波功率放大器设计[J].微波学报,2007,24(3):57-60.

[5]Yang Y,Yi J,Woo Y Y,et al.Optimum design for linearity and efficiency of a microwave Doherty amplifier using a new load matching technique[J].Microwave,2001,44(12):20-36.