5G射频功率放大器的研究

黄福广

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海，201100 ）

0 前言

第五代移动通信技术是最新一代蜂窝移动通信技术，也是继4G（LTE）、3G（UMTS等）和2G（GSM）系统之后的延伸。2019年10月中国三大运营商已陆续开通对应地区网络覆盖，国内外各大手机厂商也陆陆续续发售5G手机产品，可见5G即将迎来用户爆发式增长。移动通信的基站设备大部分不会长时间处于满负荷状态，因此射频功率放大器的功率回退范围及效率保证是5G通讯的一个研究内容。在众多射频放大器里，功率回退效率、线性度好的Doherty功放脱颖而出，但是由于传统Doherty功放因1/4λ波长传输线在不同频率下的相位偏移等因素对宽带的影响，导致它的带宽比较窄，显然无法满足5G的通信设备的诉求。本文首先从原理上分析了传统Doherty功放宽带限制的原因，基于主功放匹配和后级电路阻抗匹配，解决了Doherty功放的带宽限制这一问题。最终基于Cree公司的CGH40010F的GaN晶体管仿真了一款工作在3.4-3.7GHz频段的宽带高效的Doherty功率放大器。

1 Doherty功率放大器原理分析

Doherty功率放大器结构是W.H.Doherty在1936年的时候提出的，主要思路是基于有源负载调制技术进行动态的调制技术。其结构是输入端使用二等分功分器将信号分成两路，这两路使用不同类型的功率放大器，一路作为主功放（工作在AB类），一路为辅助功放（工作在B/C类），在主功放这路输出端加入1/4λ传输线用于阻抗变换，为了保证输出抑制在辅助功放这路输入端也加入1/4λ线进行匹配相位，通这种方案来实现有源负载的调制，使得Doherty功放在输出功率回退以后仍然可以保持较高的效率。

为了解决传统Doherty的带宽较窄的问题，本文不再使用1/4λ线进行阻抗匹配，而使用主功放电路匹配（传统Doherty主功放阻抗匹配，采用从封装层负载牵引，并做匹配实现宽带效果较差；本文利用功放管的电流源阻抗加封装寄生电感及电容作为功放管子的封装阻抗，然后再进行阻抗匹配可实现较宽的工作带宽）及后级电路匹配方案（DohertyPA主功放经过输出匹配网络到50Ω，辅助功放经过输出匹配网络到50Ω，主从合路后阻抗为25Ω，本文通过后级电路匹配网络方式将25Ω匹配至50Ω负载，实现了DohertyPA的宽频化设计），这样可以解决1/4λ波长传输线在不同频率下的相位偏移等因素对宽带的影响，实现宽带化的目的，方案架构如图1所示。

图1 新型Doherty功放原理

2 新型Doherty功率放大器设计与仿真

■2.1 功分器设计

功分器是将单路输入信号分成若干路输出的微波单元，考虑到常规T型结构两个输出端口隔离度之间的影响，本文采用对称式结构的 Wilkinson二等分功分器实现主辅两路相同的输入功率，即输入端功率P1，输出端功率P2、P3，那么P2=P3=P1-3dBm。在输出两路中间增加隔离电阻100Ω，由于结构对称性，各路性流经的走线相同，输出端电位相等，隔离电阻不消耗功率。最终的设计电路结构如图2所示。

对称式结构的Wilkinson二等分功分器S31与S21相等（基本重合），从图3仿真结果来看满足设计指标。

■2.2 主辅功放匹配设计

本文主辅功放均采用的Cree公司CGH40010F 晶体管，该晶体管工作频率在0-6GHz，工作电压-2.7V@Vds=28V，Id=200mA，输出效率13W@Psat，漏极效率65%@Psat，信号增益16dB@2.0GHz，14dB@4.0GHz。

图2 Wilkinson功分器结构

图3 Wilkinson功分器仿真结果

主功放工作状态设置在AB类，栅极电压设计为-2.8V，漏级电压为28V。在满功率和回退时主功放均处于工作状态，尤其是在回退状态下，主功放比普通AB类功放效率高不少。同时通过负载牵引技术，在3.4-3.7GHz频率下扫描最佳阻抗点，最终选取的饱和点阻抗为10.9-j×1.1Ω，回退点阻抗为6-j×3Ω，因此选取为14Ω。同时利用功放管的电流源阻抗加封装寄生电感及电容作为功放管子的封装阻抗，然后再进行阻抗匹配来实现PA的宽带化效果。

辅助功放主要是在大功率情况下配合主功放使用，当输入功率逐渐减小时，辅助功放逐渐关断，仅使用主功放工作。因此辅助功放一般工作在C类（功率较小时辅助功放关闭），本文辅助功放的栅极电压为-5.2V，漏极电压为28V，阻抗匹配方法与主功放一致。

■2.3 后级电路匹配设计

主功放经过输出匹配网络到50Ω，辅助功放经过输出匹配网络到50Ω，主从合路后阻抗为25Ω，通过后级电路匹配网络方式在所需频带内将25Ω匹配至50Ω负载。后级电路匹配网络优化设计如图4所示。

图4 后级电路匹配

■2.4 新型功率放大器仿真

结合图1新型功放原理框图将前文设计好的功分器电路、主功放电路、辅助功放电路、后级电路匹配进行组合，使用ADS仿真工具搭建完整的Doherty功率放大器原理图，通过仿真优化后，最终的仿真电路如图5所示。

图5 完整仿真电路图

图6 饱和状态仿真结果

使用ADS软件对Doherty功率放大器进行仿真，在3.4GHz-3.7GHz频带内，饱和状态下，增益大于10dB，输出功率平均43.5dBm，漏极效率平均64%，功率回退6dB后，增益大于12dB，输出功率平均37.5dBm，效率平均47%左右，仿真结果如图6所示。

3 小结

Doherty功放在高峰均比放大信号的通信系统中使用意义特别巨大，尤其是其回退功率后的效率较其他类型放大器都高，十分值得研究。本文使用Cree公司的CGH40010F晶体管，通过主功放匹配和后级电路匹配设计仿真的Doherty功率放大器，输出功率较高、增益较大、回退后的效率比较较高。当然Doherty的功率放大器的研究仍在继续，读者可以自己进一步的研究分析如何在宽带化和回退效率进行平衡，同时又能实现收益最大化。