[原创干货]一种紧凑型Doherty放大器设计方法

2017-04-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

本文描述了395MHz-455MHz Doherty放大器的一种紧凑型设计方法。在本文中,90度混合电桥被用作Doherty合成器,用来替代传统的四分之一波长线来实现Doherty合成器,随着应用频率的降低四分之一波长线将占用更大的布板面积,甚至有的时候无法实现。在本文中,我们设计实现了一种非常紧凑型的Doherty放大器,并将和基于相同输入输出匹配电路实现的平衡式AB类放大器做性能对比,最终我们设计实现了在输出功率43dBm时,漏极效率43%,未校正邻道泄漏比-33dBc,输出信号的峰均比7.5dB。

早在1936年,W.H. Doherty首次提出了一种高效节能的放大器结构[1]。由于效率高,结构简单并且不需要复杂的外围电路,Doherty放大器获得了非常广泛的应用。典型的Doherty放大器结构框图如图1所示,由载波放大器,峰值放大器以及Doherty合成器组成。传统的Doherty合成器会随着频率的降低占用更大的PCB板面积,甚至有的时候体积庞大到无法实现布板。如果采用传统设计方法,在RO4350B 20mil基材上设计实现395MHz-455MHz的Doherty合成器,合成器中的每条四分之一波长线长度将超过100mm,这就意味着需要更大的PCB板面积,从而增加了产品的成本。

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图1、Doherty放大器的结构框图

在本文中,基于90度混合电桥,我们设计并实现了一种非常紧凑型的Doherty高效放大器,其中载波放大器和峰值放大器采用飞思卡尔的功率放大器MRFE6S9045N。为了更好的理解本设计,我们将分析传统Doherty放大器的工作原理,并将与本设计的工作原理作对比。

1、设计方法

本文中的90度混合电桥采用ANAREN公司的11303-3。90度混合电桥其等效的分支线耦合器的电路图如图2所示。尽管90度混合电桥和分支线耦合器具有相同的功能,但是就395MHz-455MHz频率而言,实现体积相差甚远,11303-3器件的封装面积为16mm*12mm,如果在RO4350B 20mil厚基材上设计395MHz-455MHz分支线耦合器,其占用的布板面积约为100mm*100mm。运用奇偶模分析方法分析分支线耦合器[2],我们可以得到图2中(b) (c) (d)电路在电气功能上是完全等效的,图2中电路(e)和电路(f)在电气功能上是完全等效的。当然,我们也可以借助安捷伦仿真软件Advanced Design System (ADS) 进行S参数仿真,以验证上述结论。

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图2、90度混合电桥的微带等效电路

通过上述分析,我们可以看出90度混合电桥和传统的Doherty合成器具有完全相同的电气性能,对于低频应用而言,90度混合电桥实现面积更小。

Doherty放大器的基本工作原理是有源负载牵引[3]。正如图1所示,Doherty放大器由载波放大器和峰值放大器组成,Doherty合成器将在载波放大器和峰值放大器连接在一起。为了能够更好的理解Doherty放大器的工作原理,本文用安捷伦的Agilent’s Advanced Design System (ADS)软件搭建了仿真工程如图3所示。在仿真工程中,我们将把功率放大管抽象成理想的压控电流源,在归一化输入电压前提下,通过图3中的VAR expression控件设置载波放大器和峰值放大器电流,载波放大器和峰值放大器电流和输入电压的关系曲线如图4左上子图所示。

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图3、Doherty 放大器工作原理仿真工程

当归一化输入电压为(0~0.5)时,输出匹配电路呈献给载波放大器的阻抗是所对应的传统AB类放大器阻抗的两倍,如图4左下子图所示。由于输出匹配电路阻抗提高到传统AB类放大器的两倍,所以当归一化输入电压达到0.5时,载波放大器将达到传统放大器临界饱和点,因此效率也将达到临界饱和点的效率,比如B类放大器的临界饱和效率为Pi/4。在这个输入电压范围内载波放大器和基于同样器件设计的传统AB类放大器相比,因为载波放大器输出匹配电路所呈现的阻抗是传统AB类放大器的两倍,所以理论上载波放大器的增益将要高出AB类放大器3dB,输出1dB压缩点降低3dB。

当归一化输入电压为(0.5~1)时,峰值放大器开始工作导通,峰值放大器输出的电流在Doherty有源负载牵引技术中扮演重要作用。如图4右上子图所示,在归一化输入电压为(0.5~1)范围内载波放大器始终保持在临界饱和状态,所以载波放大器的效率始终保持在临界饱和效率,载波放大器输出匹配电路所呈现的阻抗也将由2Zopt调制到Zopt,相对应的峰值放大器输出匹配电路所呈现的阻抗将有无穷大调制到Zopt,如图4左下子图所示。此时归一化的峰值放大器的漏极电压也将由0.5调制到1,因此峰值放大器也将由临界饱和效率的50%,逐步提高到临界饱和效率,最终Doherty放大器的合成效率如图4右下子图所示。同样我们也可以通过ADS仿真验证,理想Doherty放大器的输入输出功率是完全线性的[4][5]。

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图4、Doherty放大器ADS仿真结果

2、设计实现

本文采用MRFE6S9045N设计实现了紧凑型395MHz-455MHz Doherty放大器,为了对比Doherty放大器的性能,本文也同样制作调试了基于同样器件同样匹配电路的AB类,平衡式放大器,设计实现的Doherty放大器如图5所示。在输入端口,我们采用90度混合电桥将功放输入信号一分为二,分别送给载波放大器和峰值放大器,载波放大器偏置在AB类,静态偏执电流为350mA。峰值放大器偏置在C类,栅极偏置电压为1.5V,载波放大器和峰值放大器放大后的信号将通过另一个90度混合电桥合成后输出。如图5所示,输出90度混合电桥的隔离端口的一段50欧姆的开口线,其作用是作为载波放大器和峰值放大器共同的相位补偿线。

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图5、紧凑型Doherty放大器实物图

3、测试结果

在本文中,将用连续波单音信号测试所设计的功率放大器性能。选取395MHz和455MHz测试结果罗列如下。

在395MHz处,测试所得的增益和效率对输出功率的曲线如图6所示,测试数据显示在输出功率为43dBm时,功放漏极效率为43%, 饱和输出功率高于49dBm。

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图6、395MHz 增益和效率测试数据

在455MHz处,测试所得的增益和效率对输出功率的曲线如图7所示,测试数据显示在输出功率为43dBm时,功放漏极效率为45%, 饱和输出功率高于49dBm。

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图7、455MHz 增益和效率测试数据

典型的单载波W-CDMA信号测试性能如表1所示,测试所用输入信号的峰均比为9.9dB(在互补累计分布函数概率为0.01%条件下测得)功放输出平均功率为43dBm。

表1、Doherty 放大器单载波W-CDMA信号测试性能

Frequency	Gain(dB)	PAE (%)	ACLR(dBc)	PAR(dB)
395 MHz	20.597	43.30%	-33.6dBc	7.5
425MHz	22.9	43.80%	-34.4dBc	7.62
455MHz	20.415	45.20%	-33.5dBc	7.58

为了对比所设计的Doherty放大器和传统AB类放大器性能,本文设计调试了一个基于同样器件和同样匹配电路的平衡式AB类放大器,典型的单载波W-CDMA信号测试性能如表2所示,测试所用输入信号的峰均比为9.9dB(在互补累计分布函数概率为0.01%条件下测得),功放输出平均功率为43dBm,从表2中我们可以看出,对于同样的43dBm的输出功率,Doherty放大器呈现了更高的效率,平衡式放大器呈现了更好的线性。

表2、AB类的平衡式放大器W-CDMA信号测试性能

Frequency	Gain(dB)	PAE (%)	ACLR(dBc)	PAR(dB)
395 MHz	21.2	18.60%	-43.5dBc	8.52
425MHz	23.5	21%	-40.3dBc	8.31
455MHz	24.415	20.80%	-41.8dBc	8.41

4、结论

本文提出了一种395MHz到455MHz紧凑型Doherty放大器的设计方法, 采用了飞思卡尔公司的LDMOS器件MRFE6S9045N。设计实现了在单载波W-CDMA输出平均功率为43dBm时,漏极效率高于43%,相对于传统的Doherty放大器设计方法,本文呈现了一种紧凑型Doherty设计方法,节约了PCB板的面积,并且达到了很好的性能。本文也证明了在低频段设计应用上,90度混合电桥可以用来作为Doherty的合成器。

本文作者特别感谢飞思卡尔公司提供的帮助,包括提供ADS仿真环境以及测试平台。

作者:王洪胜王尧青赵明,安富利电子元件 (北京射频与微波实验室)

参考文献:

[1] W. H. Doherty, “A new high efficiency power amplifier for modulated waves,” Proc. IRE, vol. 24, no. 9, pp. 1163–1182, Sep. 1936
[2] Reinhold Ludwig, Gene Bogdanov, RF Circuit Design Theory and Applications. Beijing, China: Publishing House of Electronics Idustry.
[3] S.C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications. Norwood, MA: Artech House, 1999.
[4] Y. Yang, J. Yi, Y.Y. Woo, and B. Kim, “Optimum design for linearity and efficiency of microwave doherty amplifier using a new load matching technique,” Microwave J., vol. 44, no. 12, pp. 20–36,
[5] F.H. Raab, “Efficiency of Doherty RF power amplifier system,” IEEE Trans. Broadcast., vol. BC-33, no. 3, pp. 77–83, Sep. 1987.

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