应用于Doherty功放的宽带可调功率合成网络

郭晓锋，叶 焱，刘太君，徐 谦

（宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波315211）

0 引言

随着通信技术的快速发展，现代移动通信系统呈现出多种通信标准并存、多个通信频段划分的局面[1]。多波段、多模式操作不可避免地成为了未来移动通信系统发展的趋势[2]。Doherty功放由于具有显著的效率提高能力，成为现代基站部署的首选结构之一，然而其功率合成器内在的窄带特性使其在现代及未来宽带通信系统中的应用受到限制[3]。因此开展功率合成网络的多波段、多模式操作研究成为了国内外学者关注的焦点[4－8]。

功率合成网络主要由一定特性阻抗的1/4波长线组成，研究功率合成网络的宽带可调操作旨在研究1/4波长线的宽带可调操作。近几年来，T型微带线结构、射频开关和多枝节耦合线等被广泛应用到1/4波长线阻抗变换器的多波段设计中。文献[5]提出了一种并发双波段1/4波长阻抗变换器结构，通过对传统T型传输线网络的分析设计，实现相分离的2个频点处的1/4波长传输线功能。文献[8]中，借助于单刀多置射频开关在多个不同频点1/4波长线间切换，来实现1/4波长线的多波段操作。以上方法设计的功率合成网络，瞬时工作带宽相对较窄，占用电路面积过大，不适用于现代移动通信系统。

1 理论分析及设计公式

1.1 变容二极管拓扑结构分析

一个变容二极管电容值通常可以表示为[9]:

式中，C（V）是反向偏置V时总的电容值;φ是变容二极管的内建电势（0.6～0.8V）;K是常数;n是幂律指数（约为0.5）。

变容二极管外加射频信号Vac后，真正施加在变容二极管上的偏置电压是v=Vdc+Vac，Vdc是加载的直流偏置电压，改写式（1）可以得到:

式（2）按照Volterra级数展开可以得到:

其中:

由式（3）可知，随着射频信号Vac的加载，产生了大量的偶次和奇次分量，C1的存在导致了二阶失真，C2的存在导致了三阶失真，从而引起了系统的非线性失真。在双音信号的激励下，三阶互调失真极易落在带内，不易被滤波器消除，造成了较大影响。通过研究发现[10]，将变容二极管按照图1（a）反向串联的连接方式接入电路，可以很好地抵消因为器件的非线性产生的偶次谐波失真和互调失真。

图1 电路结构框图

1.2 1/4波长线pi型网络等效

图1（b）所示为传统单波段1/4波长微带线，其特性阻抗为Z0。它可以由一段微带线并联2个电容后构成的pi型网络等效电路进行等效，具体结构如图1（c）所示，pi型网络等效电路中，串联微带线电长度为θ，特性阻抗为Z，并联电容容值为C。为了便于分析，假设所提出的结构是无损耗的。

图1（c）所示pi型网络1/4波长等效电路的ABCD参数可以写为:

式中，ω代表角频率。

而图1（b）所示传统1/4波长微带线的ABCD参数为:

由提出的pi型网络等效电路与一段特性阻抗为Z0、相位为90°的微带线等效可得:

则提出的pi型网络等效电路中的元件参数可由式（8）和式（9）确定:

2 可调1/4波长线结构

根据以上理论分析，提出了一种可调1/4波长阻抗变换器[11]结构，如图2所示。将图1（a）所示反向串联变容二极管结构，替换图1（c）所示的1/4波长线pi型网络等效电路中的并联电容，实现电容的可调节操作。合并化简式（8）和式（9），得到式（10）如下:

式中，f为与角频率ω对应的工作频率;特性阻抗Z可由pi型网络等效电路中串联微带线的尺寸近似确定。

图2 可调1/4波长阻抗变换器结构

由式（10）可知，pi型网络等效电路中并联电容容值C与工作频点f成反比关系。因此借助变容二极管的电调特性，通过调节其偏置电压，实现pi型1/4波长线等效电路的调谐操作。

3 实验仿真及性能分析

利用安捷伦ADS（Advanced Design System）[12]仿真软件，对所提出的pi型可调1/4波长线阻抗变换器进行了仿真验证。设计指标是1.65～2.05GHz（400MHz）带宽内，实现pi型1/4波长线调谐工作，瞬时工作带宽为50MHz。图2中的X1～X4选用Skyworks公司的SMV2020－079LF压控变容二极管（0.35～3.20 pF）。同时又设计了一段中心频率在1.85GHz的传统1/4波长微带线进行性能比较，结构如图1（b）所示。印制板的介质材料选择的是Rogers4350B微波介质基片，相对介电常数为3.66，厚度为0.762mm。

所设计的可调1/4波长线串联微带参数W=1.51mm、L=19.86mm，并联变容二极管偏置电压参数（Vbias）选取如表1所示，传统1/4波长微带线参数W1=1.59mm、L1=24.08mm。在较宽频带范围内（1.65～2.05GHz），所设计的可调1/4波长阻抗变换线的S参数如图3（a）所示，通过电调谐，实现插入损耗S21在－0.20dB以内，与传统1/4波长线相当;回波损耗S11好于－25dB，且优于传统1/4波长线;在较宽频带范围内，保证了pi型1/4波长阻抗变换器近似50Ω的特性阻抗。另外，所提可调阻抗变换网络的90°相位误差如图3（b）所示，整个频段内保持在±3°以内，优于传统阻抗变换网络±12°的相位误差。

表1 可调1/4波长线并联变容二极管偏置电压参数

图3 可调阻抗变换网络及传统阻抗变换网络的仿真结果

接着采用飞思卡尔半导体公司峰值输出功率4W的MW6S004N设计了4个Doherty结构功放，结构框图如图4所示，分别工作在1.7GHz、1.8GHz、1.9GHz和2.0GHz，再将其中的单波段1/4波长线（图4所示A、B部分）用可调1/4波长线（图2所示）替换，仅通过调节偏置电压，实现该网络在4个频点间的调谐和阻抗变换作用。

图4 传统Doherty功放结构框图

图5、图6、图7和图8显示了在连续波单音信号测试下的4个频段Doherty功放增益和效率曲线，可调1/4波长阻抗变换线（“*”标记）替代单波段1/4波长阻抗变换线（“o”标记）以后，4个频点处的Doherty功放增益和效率曲线基本接近，或者前者略低于后者。所设计可调1/4波长线在实现基本的1/4波长阻抗变换功能的同时，还实现了较宽频带范围内的调谐工作。

图5 1.7 GHz频点处Doherty功放增益和效率曲线

图6 1.8 GHz频点处Doherty功放增益和效率曲线

图7 1.9 GHz频点处Doherty功放增益和效率曲线

图8 2.0 GHz频点处Doherty功放增益和效率曲线

4 结束语

分析了变容二极管的可调谐特性及其低失真拓扑结构，并结合传统1/4波长线pi型网络等效模型的结构特点，给出了一种可调功率合成网络结构。通过实验测得:在1.65～2.05GHz较宽频带范围内，该结构能以直流电压控制（0～20V）实现可调谐操作，并保持－25dB以下的回波损耗和±3°的相位误差，与单波段1/4波长线构成的功率合成网络相比，获得较优的宽带性能。因此，上述提出的方案很好地解决了Doherty功放中功率合成网络带宽展宽问题，它为现代无线通信系统中Doherty功放的多波段、多模式操作研究提供了一条有效的途径。

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