运用ADS 对全功率匹配Doherty 功率放大器的设计

1、运用ADS对全功率匹配Doherty 功率放大器的设计周海涛，敬小东, 羊恺（电子科技大学 空天科学技术研究院 四川 成都 610054）【摘要】 该论文介绍了一个移动通信中运用的高功率Doherty 放大器的ADS仿真过程，同时通过加入对消传输线（offset transmission lines）的负载牵引，从而改善传统的Doherty功率放大器的设计。本文中使用的功率放大器是飞思卡尔的MRF6S21050，该芯片工作频率范围为2110Mhz2170Mhz,28Vdc,50Watts CW 输出功率。通过该芯片，设计平衡Doherty功率放大器，实现6dB的功

2、率回退效率为52%，P1dB为49dBm。关键词：Doherty功率放大器，负载牵引，功率回退，高效率，对消传输线（offset transmission line） 1  引言 在现代数字通信中，常常要求一定的峰均比（PAR），这样就会使得功率放大器的效率大大恶化。而采用Doherty技术的功率放大器能够有效地改善放大器在回退后的效率，并且其电路结构比EER（Envelope Elimination and Restoration）和LINC（Linear amplification using Nonlinear Componen

3、ts）更加简单和易实现。传统的Doherty放大器提出了用一段1/4阻抗变换线连接载波放大器和峰值放大器，从而改善功率放大器的效率。12 但是，传统的Doherty并不能够同时达到在高功率和低功率状态下的匹配。因此，本文将介绍一种负载阻抗匹配的匹配方法3，使得Doherty功率放大器在高功率和低功率状态下都能够很好的匹配负载阻抗。在后面章节中，将详细地介绍负载牵引的理论和运用ADS对Doherty功率放大器的设计过程。2 Doherty功率放大器的设计理论 2.1 Doherty功率放大器的基本结构如图1所示，传统Doherty功率放大器电路结构是贝尔实验室的W.H.Doh

4、erty于1936年研发出来的。它包括两个放大器：载波放大器（Carrier Amplifier）和峰值放大器（Peaking Amplifier）。两个放大器并联，载波放大器后串联的/4微带线主要起阻抗变换作用，峰值放大器前的/4微带线主要是起相位平衡的作用。12图1 传统双级Doherty功率放大器原理图2.2 有源负载牵引Doherty电路中，当载波放大器接近饱和状态时峰值放大器输出电流，从而减小载波放大器的输出阻抗，以此使得载波放大器在饱和时输出更大的电流。如图2（a）所示，得到两个放大器的负载阻抗的公式（2.1）（2.2）。图2（b）为基频电流随输入电压变化图，图2（c）放大器负载阻

5、抗随输入电压变化图。ZT,0<vinVin,maxZL2ZTZC=,Vin,max<vin<Vin,max                           （2.1） IP1+ZLIC,0<vinVin,max2ICZP=      

6、;                    （2.2） ZL(1+),Vin,max<vin<Vin,maxIPIC(a) 7ZoI6ZoLoad Impedance( )5Zo4Zo3Zo2ZoZoFundamental CurentInput Voltage AmplitudexInput Voltage Amplitude   &#

7、160;   (b) (c)图2 Doherty功放电流和负载牵引图2.3 功放的单管仿真首先，需要使用ADS中提供的LoadPull和SourcePull仿真功能对功放管进行负载牵引仿真,从而得到该功放管在Smith圆图上的最佳效率点（PAE）和最佳功率传输点（Pdel）。根据这两个点和功放指标的折中选择最佳Source和Load匹配点，从而进行单管仿真。如图3(a)(b)为对功放管MRF6S21050进行的LoadPull和SourcePull仿真的结果。其中LoadPull阻抗是6.965j*8.835，SourcePull阻抗是21.57j*15.966。

8、 (a)                             (b)                   

9、                     图3  单管LoadPull和SourcePull的结果 然后，根据这两个阻抗进行单管的功率放大器的共轭匹配,  得到单管电路和仿真结果如图4(a)为单管仿真，(b)为单管仿真的功率传输增益和效率的结果所示。 I_ProbeI_ProbeHB1Freq1=RFfreqOrder1=7Us

10、eKrylov=noSweepVar="RFpower"SweepPlan="Coarse"CoarseStart=5 Stop=25 Step=2 Lin=UseSweepPlan=yesSweepPlan="Fine"Reverse=noFineZload=50Vhigh=28 VStart=26 Stop=45 Step=0.5 Lin=Vlow=2.72 VUseSweepPlan=SweepPlan=Reverse=no(a) indep(m4)=47.228Transducer Power Gain, dBFun

11、d. Output Power, dBmGain Compressionbetween markers, dBPAE, %Fund. Output Power, dBm945.1 mOutput Powerat Marker m2, dBm(b) 图4 功放单管仿真电路和结果 2.4 载波放大器和峰值放大器的全功率匹配设计1 载波放大器全功率匹配 如图1所示，在低功率状态下（0<Vin<Vin,max/2），载波放大器的输出阻抗R1=2*R0，而单管功放是在R0情况下进行匹配。所以，需要分别加入一段阻抗为R0的对消传输线（offse

12、t transmission lines），使得在低功率状态下，也可以达到较好的匹配效果。 (a)                                       (b

13、) 图5 载波放大器负载阻抗牵引 如上图5所示，(a)为低功率状态下(R1=2*R0)，LoadPull结果。如图(b)所示，当加入一段对消传输线（offset transmission lines）后，随传输线的长度变化会形成一个以R1=R0时的输出阻抗为圆心、VSWR=2的驻波圆，所以可以得到Lmain_offset_line=21mm。 2峰值放大器全功率匹配 如图6(a)所示，传统结构Doherty功率放大器的峰值放大器在低功率状态下的输出阻抗在低阻抗区，这将使得载波放大器的输出电流不能全部经过负载。所以，也需要加入对消传输线

14、（offset transmission lines）Lpeaking_offset_line=17.85mm使得在低功率状态下，峰值放大器的输出阻抗可以从低阻区到高阻区，如图6(b)所示。m1freq=2.142GHzS(2,2)=0.802 / 151.631impedance = Z0 * (0.117 + j0.249S(2,2)freq=2.142GHzS(2,2)=0.796 / -0.563S(2,2)freq (2.110GHz to 2.170GHz)freq(2.110GHzto2.170GHz) (a)   &#

15、160;                                           (b) 图6 峰值放大器负载牵引图 经过载波放

16、大器和峰值放大器的负载牵引后，Doherty功率放大器可以达到全功率匹配的效果。 2.5 Doherty放大器的仿真设计根据以上仿真结果，可以得到等功分Doherty功率放大器如图7(a)所示，该Doherty功率放大器选用P1dB为50W的MRF6S21050。采用90o混合耦合器来获得峰值放大器的90o相移和1：1的等功率分配。加入四段对消传输线（offset transmission lines），除了2.4中提到的两段用于负载牵引，另外的两段用于平衡两路信号的相位。最后，T型节用于功率合成和载波放大器的90o相移。I_ProbeI_ProbeMur=1Co

17、nd=5.8E+7Hu=3.9e+034 milT=0.015 mmTanD=0.003Rough=0 milHB1Freq1=RFfreqOrder1=9UseKrylov=noSweepVar="RFpower"SweepPlan="Coarse"CoarseStart=5 Stop=25 Step=2 Lin=UseSweepPlan=yesSweepPlan="Fine"Reverse=noFineStart=26 Stop=40 Step=0.5 Lin=UseSweepPlan=SweepPlan=Reverse=no&#

18、160;(a) indep(m6)=44.266Transducer Power Gain, dBFund. Output Power, dBmGain Compressionbetween markers, dBPAE, %Fund. Output Power, dBmOutput Powerat Marker m2, dBm (b) 图7 Doherty功率放大器电路图和仿真结果 如图7(b)为两级等分Doherty功率放大器的传输功率增益和效率的仿真结果。传输功率增益从可以得出该放大器功率增益在15dB左右，其P1dB点在49dBm,3d

19、B压缩点达到50dBm。从效率图上，可以明显看出在功率回退6dB的效率达到52%远高于传统的AB类放大器，这充分地体现出了Doherty放大器的优点。 3 结论 从以上步骤可以得到一个全功率匹配Doherty功率放大器的设计和仿真过程。可以看出，Doherty功率放大器在功率6dB回退点上可以得到高效率的特点，非常有利于运用于现代不同峰均比（PAR）移动通信系统中。并且，根据通信系统不同的峰均比的要求，还可以采用非等分，非对称以及多路Doherty功率放大器等方式来实现不同dB的功率回退。比如，功分比为1：2功率回退9.5dB；功分比为1：3功率回退12dB；功分

20、比为1：3：4功率回退6dB和12dB。45 参考文献 1 W .H .Doherty, “A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves,”Proc.IRE, Vol. 24, No. 9, pp. 11631182, Sep.1936. 2 Frederick H. Raab,

21、 “Efficiency of Doherty RF PowerAmplifier Systems,” IEEE Trans. Broadcasting, Vol. BC33, No. 3, pp. 7783, Sep. 1987. 3 Y. Yang, J. Yi, Y. Y. Woo and B. Kim,

22、0;“Optimum design for linearity and efficiency of microwave Doherty amplifier using a new load matching technique,” Microw. J., vol. 12, no. 4, pp. 2036, Dec. 2001. 4 M. Iwamoto, A. Williams, P. Chen, A. G. Metzger, L. E. Larson, and P. M. Asbeck,“An extended Doherty