线性宽带非对称Doherty功率放大器设计 正文.doc

一、引言在现代无线通信系统WCDMA、CDMA2000 及将来的4G（LTE-Advanced）通信标准中，都采用具有高峰均比(PAR)的数字调制信号如QPSK和64QAM 等宽带线性调制方式，对功率放大器的线性度提出严格的要求，同时也对功率放大器的信道带宽提出了更高的要求。传统基站中的功放需大功率回退来满足线性度，同时功放的效率大大降低，严重影响系统的性价比。作为一种高效率功率放大器，传统的Doherty功率放大器（DPA）可以在功率回退6dB时提供足够高的效率，但已经无法满足未来更高速无线通信系统高峰均比（10dB）的要求。相比之下，非对称DPA以其更大的功率回退范围正逐渐成为目前的研究热点。本文针对国家科技重大专项课题“高效率、线性宽带功放模块”，设计了一种工作于450MHz-470MHz频段，具有4.4%信号带宽的非对称宽带DPA。所设计的DPA在饱和功率回退9dB（40dBm）的情况下，功率附加效率（PAE）为42%，经过数字预失真改善后，相邻频道泄漏比（ACLR）-44dBc，达到项目设计要求，可以较好地应用于未来LTE-Advanced系统。 二、非对称Doherty功率放大器传统的DPA包括载波功放和峰值功放两个电路，载波功放通常工作于AB类，峰值功放工作于C 类，电路简化模型如图1 所示，其中载波功放和峰值功放均用压控电流源代替。理想情况下，小信号时，DPA只有载波功放工作，由于输出电路中的阻抗变换作用，载波功放的负载阻抗增大，输出电压迅速达到最大值，效率提高至最大值；到临近点时（Vmax/2），峰值功放开启，通过负载调制作用，载波功放的负载阻抗逐渐减小，输出电流增大，由于峰值功放此时效率较低，DPA总体效率略为降低；当输入信号达到最大值时，载波功放和峰值功放同时达到最佳负载阻抗，输出功率达到最大，效率再次达到最大值。DPA中载波/峰值功放输出基波电压与漏极效率如图2所示。图1 Doherty功率放大器简化模型图2 DPA输出基波电压及漏极效率传统DPA中，载波功放和峰值功放采用相同的器件（相同的饱和功率），输入功率均分的方式，由于峰值功放偏压工作于C 类，高功率时IpZopt,从而载波功放在高功率时过饱和，线性度和效率都严重下降。而在非对称DPA中，采用输入功率不均分的方式，增大峰值功放的输入功率，提高峰值功放在高功率时的输出电流，通过完全的负载调制作用，实现Ip=Ic，Zp=Zc =Zopt，高功率时显著提高了功率的效率和输出功率。同时，选择较低的饱和功率的功放作为载波功放，可以使得载波功放提前饱和，峰值功放提前开启，从而增大了DPA的高效率时的功率回退范围。三、放大器设计载波放大器和峰值放大器工作频率范围为450MHz-470MHz，功放管使用的是Freescale MRFE6S9045N 45W Lateral MOSFET，介质基板采用Taconic RF35（er=3.5，H=30mil）。输入/输出匹配分别针对不同的饱和功率进行设计；采用双平衡馈电结构，并对漏极馈电网络进行优化，增加了对信号包络频率的短路电容，减小放大器记忆效应，提高视频带宽（VBW），从而改善放大器的宽带特性，放大器电路原理图如图3所示。在相同的偏置情况下（Vgs=2.9V，Vds=28V），载波放大器和峰值放大器的1dB压缩点（P1dB）分别为46.2dBm和47.2dBm，如图4所示。图3 载波/峰值放大器电路原理图图4 载波/峰值放大器增益图5所示为所设计非对称DPA的结构图，其中载波放大器和峰值放大器分别具有不同的P1dB。与载波功放相连的pi型衰减器衰减量为2.1dB，使得更多的功率能够输入到峰值放大器中。载波功放和峰值功放输出电路中的补偿线长度分别由载波功放呈现高阻状态和峰值功放输出呈现开路状态决定。载波功放和峰值功放的Vds为28V，Vgs分别为2.9V和1.9V，即分别工作于AB类和C类。图6所示为非对称DPA实物照片。图5 非对称DPA结构图图6 非对称DPA实物四、测试结果与分析图7 放大器功率附加效率比较图7显示了非对称DPA和平衡式功率放大器的功率附加效率（PAE）曲线。从图中可以看出，随着输出功率的增大，非对称DPA的PAE较平衡式功率放大器有较大的提升。当输出功率为40 dBm时，非对称DPA的PAE约为40%，较平衡式放大器大约提高了15%。图8 不同频率增益及功率附加效率图8所示为450MHz-470MHz频率范围内的增益及PAE曲线。增益曲线反映出了该放大器的较好的线性度，频率为460MHz时，输出功率为40 dBm时增益为24.7dB。 在25 dBm到45 dBm的输出范围内，该放大器的增益平坦度（波动）约为0.3dB，饱和功率约为49dBm。在450MHz-470MHz频率范围内，增益平坦度为0.5dB，增益变化一致性较好。图9 输出功率为40dBm时的ACLR图9所示为输出功率为40dBm时，带宽为20MHz的LTE信号测试的ACLR。其中黄色曲线为DPD改善前的ACLR，蓝色曲线为CFR结合DPD改善后的ACLR。具体指标见表1。表1 ACLR指标 Carrier Power(dBm)ACPR Lower(dBc)ACPR Upper(dBc)PAPRDPD改善前40-37.2-34.111.37DPD改善后40-44.6-448.9五、结束语针对LTE信号高峰均比的特点，本文设计了一种宽带非对称Doherty功率放大器，该放大器在输出功率40dBm（