高效率F类Doherty功率放大器研究

刘国华，王维荣，范凯凯，程知群

（杭州电子科技大学电工电子国家级实验教学示范中心，杭州 310018）

0 引言

随着5G 技术的快速发展，对现代无线通信系统的工作效率和传输速率要求也越来越高，射频功率放大器（Power amplifier，PA）作为整个无线通信系统的核心部件，对通信系统性能的优劣起着关键作用［1-5］。设计一款综合性能突出的射频功率放大器至关重要。

无线通信系统中传输的是可变包络信号，信号具有较高的峰值平均功率比（Peak to average power ratio，PAPR），实际通信基站要求在功率回退时有较高的效率，如何保持功率回退下的PA 效率是电路设计面临的一个关键问题。目前主要的技术有使用非线性组件的线性放大（Linear amplifier using nonlinear components，LINC）技术、Kahn 包络消除与恢复、Doherty［6-11］、包络跟踪等技术，在这些方法中，Doherty技术具有结构简单、易于实现、成本较低、对于系统的线性度影响小等优点。

为使Doherty 功率放大器（Doherty Power Amplifier，DPA）在功率回退时具有更高的传输效率，本文将高效率F类功率放大器与Doherty 功率放大器相结合，实现了F 类DPA。设计一款工作频带为1.7～1.9 GHz的射频功率放大器，其饱和输出功率大于43 dBm，平均饱和效率超过70%，功率回退6 dB 时的效率大于50%。

1 F类Doherty理论分析与设计

1.1 F类DPA理论

F类功率放大器归一化的漏极电压和电流的表达式为［12］：

通过式（1）、（2）可以得到F类功率放大器的基波阻抗表达式为：

式中：Udc为漏极电压；Imax为漏极电流最大值。谐波阻抗为：

由以上理论分析可知，F 类功率放大器主要是通过对漏极输出电压、电流波形进行整形，使得电压为方波，电流为半正弦波，其漏极电压、电流波形如图1 所示，并且漏极电流与电压波形在时域上无交叠。F 类功率放大器功率管无直流功率消耗。漏极电压奇次谐波开路，偶次谐波短路，在谐波频点也没有功率消耗。理论上漏极效率可以达到100%［13-14］。在实际设计中，由于设计复杂性和成本等问题，对F 类功率放大器只控制到3 次谐波。

图1 F类漏极电压与电流波形

Doherty功率放大器从结构上主要分为非对称和对称两种。DPA的原理分析如图2 所示［15］。

图2 Doherty功率放大器原理图

主辅功放分别以电流源i1和i2表示。假设：

式中，ζ为回退因子，0 ＜ζ ＜1。当输入功率介于小信号状态和大信号状态之间的临界点时，ζ ＝0，当输入功率达到饱和点时，ζ ＝1。对于对称式Doherty，阻抗、ZP可以分别表示为：

当Doherty达到饱和时，I1T＝I2＝Imax／2，汇合点两边负载都是＝ZP＝Ropt。λ／4 微带线两端等电势，所以两端电压与电流可表示为：

通过推导最终可以得到主功放输出电压中基波分量为：

1.2 F类DPA设计过程

F类功率放大器主要是通过抑制谐波来达到高效率，谐波控制网络的设计显得尤为重要：通过负载牵引技术对功率管进行谐波牵引与基波负载牵引，牵引得出的结果见表1，当3 次谐波以后，功率附加效率（Power added efficiency，PAE）增幅明显减小，同时会提高设计复杂度和PCB 制板成本。本次设计只控制到3 次谐波，通过优化调谐，基波、2 次谐波、3 次谐波阻抗分别选取为（16.35 ＋j24.23）Ω、（0 ＋j67.52）Ω、（1.941 ×10-13＋j728.386）Ω。

表1 负载牵引功率效率与阻抗关系表

在进行谐波控制网络设计时，将基波输出匹配网络阻抗分别匹配到上述3 个阻抗值，设计的谐波控制网络如图3（a）所示。经过仿真，由图3（b）可见，谐波阻抗匹配良好。

图3 谐波控制网络和仿真数据

在进行F 类Doherty 功放整体电路设计时，Doherty结构是由载波功放和峰值功放组成，需要用到功率合成和功率分配技术，这里采用威尔金森功分器，其微带结构如图4（a）所示，其中Z0、Z02、Z03分别表示3 段微带线的特征阻抗。

设功分器功率分配比为K2，则有：

在本次设计中使用的是等分功分器，即K＝1。此时Z02＝Z03＝，R＝2Z0，输出端阻抗匹配到Z0，可以计算出微带线参数，设计的功分器如图4（b）所示。参数优化后的仿真结果如图4（c）所示。可见，在1.7～1.9 GHz 频带内，S21约为3 dB，S11基本小于-30 dB。

图4 功分器结构和仿真结果

将Doherty峰值功放直流工作点选取在C类状态，同时峰值功放的工作电压取值应使得DPA在回退5～6 dB 时仍可以保持较高的效率。低功率输入阶段，峰值功放不工作，根据λ／4 微带线阻抗转换理论，载波功放的输出负载为100 Ω，是单路功率放大器输出负载的2 倍，所以当输出电流达到单路功放饱和电流的1／2 时，输出电压就达到了饱和，功率输出有3 dB的回退，正是由于电压的提前饱和，载波功放可获得较高的输出功率。此时，峰值功放开始工作，载波路的输出电压一直处于饱和状态，同时输出电流增大，并且由负载牵引后的载波路负载阻抗值有所减小，所以载波路的效率仍然处于较高值。因为峰值功放工作在C类状态，所以整体效率一直保持在较高状态。将峰值功放的栅极工作电压设置为-6 V，当满足载波功放饱和输出功率回退3 dB时峰值功放开启。

通过以上载波功放、峰值功放、功分器的设计，最后进行连接，优化调整F类DPA整体电路。由于载波功放与峰值功放存在相位问题，所以需要加入相位补偿线，同时，该补偿线的另一个作用是，当在低输入功率状态时，峰值功放工作在开路状态，避免了载波功放功率的损耗。

2 F类Doherty制作与测试

F类Doherty整体电路结构和在PCB 上加工后的实物照片如图5 所示。基板采用的是Rogers4350B，其相对介电常数为3.66，厚度为0.762 mm，覆铜厚度为35 μm，晶体管型号为GaN HEMT CGH40010F。

图5 F类Doherty整体电路结构和实物照片

图6（a）、（b）分别为饱和与回退功率时的仿真和测试数据对比图，由图6（a）可见，在1.7～1.9 GHz频带内的饱和功率均大于43 dBm，最大值可以达到44.66 dBm，平均漏极效率在70%以上。图6（b）为输出功率回退5～6 dB 后的测试结果。由图中可见，在1.8 GHz中心频点处，漏极效率与输出功率最大，在整个工作频带内平均回退效率大于50%。

图6 仿真和测试结果对比图

测试结果表明，在1.7～1.9 GHz的频带内饱和输出功率可以达到44.66 dBm，回退时的平均漏极效率在50%以上，展示出了良好的性能。

3 结语

通过将高效率F 类功放与Doherty 结构相结合，实现了一款频段为1.7～1.9 GHz 的功率放大器。测试结果表明，该功率放大器在饱和功率与回退功率时均保持了较高的效率，可潜在应用于无线通信系统中，该设计方法具有一定的创新性。该电路结构简洁，易于实现，具有很好的应用前景。