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射頻功率放大器被廣泛應用于各種無(wú)線(xiàn)通信發(fā)射設備中。線(xiàn)性功放在基站中的成本比例約占1／3，如何有效、低成本地解決功放的線(xiàn)性化問(wèn)題顯得非常重要。高效率高線(xiàn)性度的功放研究是一個(gè)熱門(mén)課題，特別是近幾年針對WCDMA功率放大器。目前國內能生產(chǎn)10 W以上的WCDMA功率放大器廠(chǎng)家只有少數幾家公司，因為WCD-MA功率放大器對線(xiàn)性度的要求更高。而用普通的回退法生產(chǎn)的WCDMA功率放大器符合指標的只能做到幾瓦，這個(gè)功率用在基站上是遠遠不夠的，只能用在一般的小型直放站上。 功率放大器的線(xiàn)性度和效率是設計功率放大器的重點(diǎn)。在線(xiàn)性度方面，前饋結構是目前比較成熟的結構，廣泛運用于現代通信系統中，數字預失真在業(yè)界則被認為是功率放大器線(xiàn)性化的方向。而隨著(zhù)現代通信的發(fā)展，效率也開(kāi)始越來(lái)越被關(guān)注。Doherty方法被認為是提高效率最有前景的一種結構。前饋與Doherty結構相結合的結構或者數字預失真與Doherty結合的結構具有很大的價(jià)值。 1 Doherty功率放大器設計 1.1 Doherty功率放大器原理概述 Doherty結構由2個(gè)功放組成：一個(gè)主功放，一個(gè)輔助功放，主功放工作在B類(lèi)或者AB類(lèi)，輔助功放工作在C類(lèi)。兩個(gè)功放不是輪流工作，而是主功放一直工作，輔助功放到設定的峰值才工作(這個(gè)功放也叫作peak ampli-fier)。主功放后面的90°四分之一波長(cháng)線(xiàn)是阻抗變換，目的是在輔助功放工作時(shí)，起到將主功放的視在阻抗減小的作用，保證輔助功放工作的時(shí)候和后面的電路組成的有源負載阻抗變低，這樣主功放輸出電流就變大。由于主功放后面有了四分之一波長(cháng)線(xiàn)，為了使兩個(gè)功放輸出同相，在輔助功放前面也需要90°相移。如圖1所示。 主功放工作在B類(lèi)，當輸入信號比較小的時(shí)候，只有主功放處于工作狀態(tài)；當管子的輸出電壓達到峰值飽和點(diǎn)時(shí)，理論上的效率能達到78.5％。如果這時(shí)候將激勵加大一倍，那么，管子在達到峰值的一半時(shí)就出現飽和了，效率也達到最大的78.5％，此時(shí)輔助功放也開(kāi)始與主放大器一起工作(C類(lèi)，門(mén)限設置為激勵信號電壓的一半)。輔助功放的引入，使得從主功放的角度看，負載減小了，因為輔助功放對負載的作用相當于串連了一個(gè)負阻抗，所以，即使主功放的輸出電壓飽和恒定，但輸出功率因為負載的減小卻持續增大(流過(guò)負載的電流變大了)。當達到激勵的峰值時(shí)，輔助功放也達到了自己效率的最大點(diǎn)，這樣兩個(gè)功放合在一起的效率就遠遠高于單個(gè)B類(lèi)功放的效率。單個(gè)B類(lèi)功放的最大效率78.5％出現在峰值處，現在78.5％的效率在峰值的一半就出現了。所以這種系統結構能達到很高的效率(每個(gè)放大器均達到最大的輸出效率)。 1.2 Doherty功率放大器設計 根據額定功率30 W，輸出增益50 dB，工作頻率2 110～2 170 MHz等作為設計指標要求： 要設計Doherty功率放大器，首先應該選擇元器件，然后選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，設置偏置電路。再進(jìn)行阻抗匹配，最后再設計90°的合路器把主輔功率放大電路合成。 1.2.1 功率放大器選擇以及放大器偏置設計 根據指標要求，首先選定功率放大器。射頻功率放大器主要選用摩托羅拉公司的LDMOS管，其市場(chǎng)占有率達到70％以上，而LDMOS器件也特別適用于CDMA，W-CDMA，TETRA、數字地面電視等需要寬頻率范圍、高線(xiàn)性度和使用壽命要求高的應用。另外由于總的放大器的輸出增益要達到50 dB，所以應該選用多級功率放大器。 因為Doherty功率放大器的最高效率是在大約回退6 dB的時(shí)候達到，所以選擇功率放大器為兩個(gè)摩托羅拉的管子MRF21060，他們在最大功率工作時(shí)總的功率為120 W，回退1／4(6 dB)即得到30 W。 要設計Doherty功率放大器，就需要使其中一個(gè)管子工作在A(yíng)B類(lèi)或則B類(lèi)工作狀態(tài)下，而另一個(gè)管子的靜態(tài)工作點(diǎn)選擇在C類(lèi)工作狀態(tài)下。 對LDMOS管子的MRF21060進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)掃描，選定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，如圖2所示。 根據Doherty技術(shù)要求，功率放大器偏置的選擇，應該使主放大器達到飽和的時(shí)候，這時(shí)輔助放大器才開(kāi)始工作，這樣才能達到相當高的效率。 在此選擇MRF21060在A(yíng)B類(lèi)工作狀態(tài)時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)約在3.7 V處。選擇C類(lèi)工作狀態(tài)時(shí)，選擇工作在2.1 V。兩種偏置狀態(tài)的靜態(tài)工作電流和電壓如圖3所示。 1.2.2 電路匹配設計 LOAD PULL(負載牽引技術(shù))測量方法能使設計者確定負載阻抗ZL．RF功率放大器在大信號工作時(shí)，晶體管的最佳負載阻抗會(huì )隨著(zhù)輸入信號功率的增加而跟著(zhù)改變，因此，必須在史密斯圓圖上，針對不同的輸入功率單位，每給定一個(gè)輸入功率值就給繪出不同負載阻抗時(shí)的等輸出功率曲線(xiàn)(power contours)，幫助找出最大輸出功率時(shí)的負載阻抗，這種方法稱(chēng)為L(cháng)OAD PULL。 LOAD PULL是基本的測試大功率功放管輸入輸出負載特性的方法，理論上來(lái)說(shuō)LOAD PULL可以通過(guò)負載的變化，得到各個(gè)負載下的特性，而相同特性如增益相等點(diǎn)可以組成類(lèi)似地圖的等高線(xiàn)的圓圖。如增益圓、等效率圓、等線(xiàn)形圓等，得到這些信息后，就可以在設計中根據要求進(jìn)行權衡設計。例如在具體的增益和線(xiàn)形要求下，可以找對應的等增益圓和等線(xiàn)形圓的交集區域的中點(diǎn)位置作為阻抗匹配的目標。 根據仿真結果：在指定的偏囂下，如果輸入信號為30 dBm，則最大的功率附加效率為42.84％，最大的輸出功率為 14.34 dBm。選定最優(yōu)化的負載為3.530-j2.811。 可以使用摩托羅拉典型的參考電路進(jìn)行輸入輸出匹配電路的設計。其推薦電路匹配值如表1所示。 Zsource=Test circuit impedance as measured from gate to ground Zload=Test circuit impedance as measured from drain to ground 完成整個(gè)匹配電路之后，還要設計90°的合路器和帶90°偏移的阻抗變換器用來(lái)合成主輔放大器。 至此一個(gè)完整的Doherty功率放大器就設計完成了。 2 實(shí)驗仿真 以下對整個(gè)Doherty功率放大器的仿真結果與普通的AB類(lèi)功率放大器比較。如圖4，圖5所示。 可以看出Doherty功率放大器的功率附加效率比普通的AB類(lèi)功率放大器附加效率提高了。 3 結 語(yǔ) 如所預期的一樣，Doherty功率放大器能有效地提高功率放大器的功率附加效率，但其線(xiàn)性度會(huì )變差。這與其中的輔助放大器工作在C類(lèi)工作狀態(tài)下有關(guān)。所以在Doherty的基礎上一般都會(huì )另增加線(xiàn)性化電路，以提高功率放大器的線(xiàn)性度。 |
