S波段20W Doherty功放的设计

陈静涛

(电子科技大学物理电子学院，四川 成都 610054)

S波段20W Doherty功放的设计

陈静涛

(电子科技大学物理电子学院，四川 成都 610054)

3GPP长期演进(LTE)项目是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，为了满足3GPP对LTE项目的相关要求，必须提出在更高的频段设计高效功率放大器的方案。文章通过ADS2008设计了一个工作在C波段的DPA，中心频率为2350MHz，仿真结果显示最终的输出功率为20W，带宽为100M，最大效率为51.18%。

长期演进；Doherty；负载牵引；功率附加效率

LTE(Long Term Evolution)项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。OFDM采用了复杂的调制方式来减少带宽的占用，在这种技术的应用中，由于采用了非恒包络的调制方式，射频信号的峰均比变的越来越大，功放有了很大的输出动态范围，这就对放大器的线性度提出了很高的要求，而线性度的提升往往以功率回退的形式来得以实现，而功率回退必然会导致放大器效率的急剧降低[1]。此时，Doherty结构功放就成为了解决这个问题的一个突破口，对称Doherty能够保证功放在回退6dB的时候仍然保持较高的效率，这使得在高峰均比的条件下获得信号高效的线性放大带来的可能。

1 Doherty 功率放大器的设计

1.1 Doherty 技术的基本原理

Doherty结构的概念最早由贝尔实验室的 W.H.Doherty提出[2]，将输入信号的平均部分和峰值部分分开放大，然后合成，从而获得高效率[3]，最简单的Doherty电路拓扑如图1所示，包括2个放大器—主放大器（偏置于AB类）和辅助放大器（偏置于C类），两个放大器并行连接，主放大器串接一条 /4的微带线起阻抗变换作用，辅助放大器前 /4线起相位平衡作用[4]。当主放大器接近饱和时辅助放大器输出电流，由此减小的主放大器的输出阻抗，这样就能让主放大器在达到饱和时输出更多的电流，这种现象可以用“有源负载牵引”的理论来解释[5]-[6]。采用此方法可以使主放大器在饱和输出点处功率回退 6dB的情况下获得和输出饱和功率一样的效率。

图1 Doherty 功放原理图

Doherty功率放大器的基本原理可以根据其工作的三个模式进行解释，分别是低功率输出模式、中等功率输出模式、大功率输出模式。

图2 三种功作模式下的Doherty功放

低功率输出模式时，此时只有主功放开启，峰值功放尚未开启。所有信号都经过主功放进行放大，此时可以将主功放看作是一个受控电流源。由于峰值功放没有开启，因此峰值功放对输出端呈现高阻状态，可将峰值功放视为开路，如图2（a）所示。由于峰值功放处于开路状态，根据 /4线的阻抗变换作用，主功放的输出阻抗变换为2Ropt 。因为峰值功放相对主功放来说处于高阻状态，而且主功放的负载阻抗为原来的2倍，所以当主功放输出电流仅有最大值一半的时候，电压就接近饱和，此时主功放输出功率仅为最大功率的一半，但是已经得到了较高的效率。因为峰值功放没有工作，因此主功放的效率也就是整个系统的效率。中等功率输出模式时，当输入激励信号继续增加，中等功率输出时，峰值功放开启，此时系统输出功率已经达到饱和功率回退6dB时的功率。在这种模式下，主功放的电压达到饱和状态，主功放看作是一个受控电压源。峰值功放的电流和电压都在随着输入的增加在变大，可以将它看作是一个受控电流源。如图 2（b）所示，根据动态负载牵引原理，由于峰值功放的开启使得电流增加，从而主功放输出端 /4线后面的阻抗增加，根据 /4线的阻抗变换作用，主功放输出端阻抗由 2Ropt向Ropt变换，因此在漏极电压保持不变的情况下，主功放能够输出更大的功率。而同时由于主功放的电压保持在饱和的状态，因此主功放的效率较高。随着输入功率的进一步增加，在峰值功放没有达到饱和输出之前，整个电路的效率仍将保持在较高的水平。高功率输出模式时，此时输入激励信号的强度使得主功放和峰值功放的输出功率均达到饱和状态[7]。此时峰值功放工作在线性状态，如图2（c）所示，当主功放和峰值功放都达到饱和输出功率时，在负载牵引的作用下，主、辅功放输出端阻抗均为Ropt。由于峰值功放也处于饱和状态，因此其效率达到最大，此时整个系统效率也达到的最高[8]。

1.2 单级功放电路的设计

本文电路设计主要针对的应用方向为LTE-TDD基站功率放大器，对单级设计要求则定为：（1）平均输出功率为20W，峰值功率为120W；（2）工作频率2350M，带宽100M；（3）在20W输出功率下PAE大于40%，增益大于12dB。

根据上述要求， Doherty功放电路采用Freescale公司的120W晶体管MRF8S23120H作为仿真模型。而仿真工具为安捷伦公司的ADS（Advance Design System）仿真软件[9]。在选定晶体管之后，先对管子进行直流仿真来确定管子的工作状态。选定工作电压为28V，栅极电压为2.8V，漏极静态电流为800mA。接下来用ADS的Loadpull和Sourcepull模板对晶体管进行扫描，确定输入和输出的最佳匹配点 Zsource和Zload，最后分别将输入输出匹配到50Ω。该方法的思想是在SMITH园图上确定一个圆形的扫描范围，对该范围内均匀分布的负载点进行扫描，将扫描负载点后得到的数据，如输出功率，功率附加效率(PAE)的值画为一簇等高线，在从几簇等高线的最大值附近选取一点，这点即为最佳负载点。这种方法有着一定的缺陷，即只能对负载阻抗进行扫描，故只能进行负载阻抗的负载牵引仿真，而不能进行源阻抗的负载牵引仿真。故对此模板进行了改进，目的是使功放能够有最大的输出功率和功率附加效率(PAE)。改进的设计思路如下，首先确定一个对负载阻抗ZL进行扫描，得到一个最佳负载阻抗ZL1,将此ZL1设为固定值，对源阻抗ZS进行扫描，得到一个最佳负载阻抗ZS1，在将此ZS1设为固定值，继续对ZL1进行扫描，得到 ZL2，如此反复迭代，最终得到一组最佳的ZSopt和ZLopt。利用这种方法经过3次迭代，得到了负载阻抗和源阻抗在 Freq=2350M时的一组收敛值：ZSopt=9.21+j*0.72; ZLopt=1.74-j*3.88，采用这组阻抗在功放输入为30dBm的情况下，PAE可以达到51.18%，最大输出功率为47.19dBm，如图3所示。

图3 单级功放的PAE和最大输出功率

1.3 Doherty结构设计与仿真

在完整的Doherty结构下，电路的最终设计目标为：频率从23000MHZ-2400MHZ，最大输出功率120W，功率回退6dB时，PAE大于35%，电路可用于LTE-TDD的基站功放模块中。

设计中功分选用Hybrid90模型，一路输出与输入相位差为0°，接主功放，另外一路延迟90°，接辅助功放[10]。经过反复调试和仿真，最终确定辅助功放偏置在1.5V，漏极电压为28V。主功放后的四分之一长阻抗变换线只有15.6mm，未达到四分之一的长度，这个长度主要是取决于负载牵引的效果，同时供电电路上的微带线长度也需要优化，达到对效率和功率的最小影响。从仿真结果可以看出输入信号在比较大的动态范围内Doherty功率放大器的效率能够保持在一个比较高的水平。

图3 完整Doherty电路设计

图4 Doherty电路仿真结果

2 结论

本文旨在设计一种对称Doherty结构的功率放大器，通过设计目标的要求精心挑选了 Freescale公司型号为MRF8S23120H的功率放大器晶体管，并在ADS2008仿真软件的的辅助下，设计并完成了对目标仿真，最终结果显示总的输出功率增益大于18dB，效率大于40%，满足设计要求。

[1] 吴琦.基于Doherty理论的L波段40W功放研究[D].成都:电子科技大学电子工程学院,2007.

[2] Doherty W H.,A new high efficiency amplifier for moudulated waves,Proc.IRE,vol.24,Sept.1936,pp.1163-1182.

[3] Steve C.Cripps.RF Power Amplifier for Wireless Communication.Artech House microwave,library.2006,1-37.

[4] Bumman Kim,Jangheon Kim，Iidu Kim，and Jeonghyeon Cha.The Doherty Power Amplifier.IEEE Microwave.Magazine,2006,7(5):42-50.

[5] Williams A, Metzger A G, Larson L E et al, An extended doherty amplifier with high efficiency over a wide power range, IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol. 49, No. 12,Dec 2001, pp.2472-2479.

[6] F.H.Raab.efficiency of Doherty RF Power-amplifier systerms.IEEE Trans.OnBroadcasting,1987,Vol.33: 77-83.

[7] Takashi Yamamoto,Takaya Kitahlara, Shigeru Hiura, 50%Drain efficiency doherty amplifier with optimized power range for W-CDMA signal,Mierowave syrnposium,2007.IEEE MTT-S international,pp.1263-1266.

[8] Vani Viswanathan Efficiency Enhancement of Base Station Power Ampilifiers using Doherty Technique.

[9] 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社,2009.9.

Design of C-band 20W Doherty amplifier

3GPP Long Term Evolution (LTE) project started nearly two years 3GPP largest technology R & D projects,in order to meet the 3GPP requirements for LTE project must be made at a higher frequency band high efficiency power amplifier design program. This article designed a DPA in C-band by ADS2008, the center frequency is 2350MHz, the simulation results show that the final output power of 20W, bandwidth 100M, the maximum efficiency of 51.18%.

Long-term evolution, Doherty, load pulling, power-added efficiency

TN722.7+5

A

1008-1151(2011)10-0049-02

2011-07-24

陈静涛（1986－），男，四川泸县人，电子科技大学物理电子学院等离子体物理学硕士研究生，从事电子微波方面的研究。