[硕士论文精品]基于wcdma标准的数字直放站doherty功率放大器设计

摘要摘要随着第三代无线通信技术的发展，采用多载波调制技术的WCDMA信号，具有较高的峰均比。以功率回退设计的A类或AB类功率放大器难以满足在高峰均比PAR条件下的效率要求，造成了能量的巨大浪费，而且导致了严重的基站或直放站热管理问题，影响了系统性能，增加了制作成本。因此，研究具有低功耗、高效率的功率放大器是新一代基站或直放站的关键技术之一。近几年，随着数字预失真技术DPD，DIGITALPREDISTORTION的发展，功率放大器的线性指标得到有效改善，将结构简单、效率高的DOHERTY功率放大器应用于基站或直放站成为当前研究的热点。本文深入研究了DOHERTY功率放大器的结构特点，以及工作原理；针对WCDMA数字直放站功率放大器的性能指标要求，以AGILENT公司提供的ADS软件ADS，ADVANCEDDESIGNSYSTEM为仿真平台，采用FREESCALE公司的MRF6S21140LDMOS管，设计了一款满足高效率要求的DOHERTY功率放大器。主要工作包括如下几个方面首先，针对MRF6S21140LDMOS管的性能特点，对功率放大器的偏置网络电路、匹配网络、负载调制网络等进行优化设计；其次，采用在输出匹配中综合考虑补偿线网络的设计方案，通过加入适当长度的相位补偿线，解决了在小功率信号输入条件下的功率泄漏问题，提高DOHERTY功率放大器的性能指标；再次，借助ADS软件提供的3GPP基站功率放大器测试模型，对DOHERTY功率放大器的性能进行仿真测试；最后制作了电路模块并验证分析。实际测量结果表明DOHERTY功率放大器的效率达到设计要求，在输出功率43DBM时，效率达到223，输出功率47DBM时，效率达到38，饱和输出时，效率达到48。平均功率增益超过10DB，能够满足WCDMA数字直放站对于高效功率放大器的应用要求。关键字数字直放站，DOHERTY功率放大器，WCDMAABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOF3GTECHNOLOGY,THEWCDMASIGNALISCHARACTERIZED、析TILAHIGHERPAR,INWHICHMULTICARRIERMODULATIONISADOPTEDTHEPOWERAMPLIFIERS，CLASSAANDAB，USINGPOWERBACKOFFSCHEMEAREDIFFICULTTOMEETTHEEFFIENCYREQUIREMENTUNDERTHECONDICTIONOFAHIGHPAR,WHICHCAUSEAHUGEENERGYDISSIPATIONWHILEPRODUCINGALOTOFHEATWHATSMORE，ITDEGRADESTHESYSTEMPERFORMANCEANDRAISESTHEPRODUCTIONCOSTTHEREFORE，ENHANCINGTHEEFFICIENCYOFPOWERAMPLIFIERISONEOFTHEKEYPOINSTOF3GBASEDSTATIONANDREPEATERINRECENTYEARS，诵TLLTHEDEVELOPMENTOFDIGITALPREDISTORTIONTECHNOLOGYDPD，THELINEARITYOFPOWERAMPLIFIERHASBEENIMPROVEDTHENTHESTUDYANDAPPLICATIONOFDOHERTYPOWERAMPLIFIERINWCDMADIGITALREPEATERBECOMESAHOTSPOTTHISPAPERSTUDIESTHESTRUCTURECHARACTERISTICANDWORKINGPRINCIPLEOFDOHERTYPOWERAMPLIFIERTHENDESIGNSTHEDOHERTYPOWERAMPLIFIERACCORDINGTOTHEMODELOFMRF6S21140LDMOSANDADOPTSTHEADSSOFTWAREDEVELOPEDBYAGILENTCOMPANYTOBETHESIMULATIONSOFTWAREMAINWORKINCLUDINGFIRSTLY,OPTIMALDESIGNSFORBIASCIRCUITDESIGN，MATCHINGNETWORKDESIGN，ANDTHELOADMODULATIONAREGIVENSECONDLY,ADESIGNSTRATEGEWITHACOMPREHENSIVECONSIDERATIONOFOFFSETLINENETWORKINOUTPUTMATCHISADOPTEDMEANWHILE，AOFFSETLINE谢TLLAPPROPRIATELENGTHISADDED，WHICHOFFERASOLUTIONTOTHEPROBLEMOFPOWERLEAKAGEANDIMPROVETHEPERFORMANCEOFDOHERTYPOWERAMPLIFIERTHIRDLY,THESIMULATIONANALYSISISPRESENTEDWHICHISBASEDONWCDMA3GPPSOFTWARETESTPLATFORMOFFEREDBYADSFINALLY,HARDWAREMODULESAREDEVELOPEDTOVERIFYTHESYSTEMTHETESTRESULTSHOWSTHAT，THEOUTPUTPOWERADDEDEFFICIENCYOFDOHERTYPOWERAMPLIFIERCOVERTHEBASICNEEDS，WHENTHEOUTPUTPOWERIS43DBM，THEEFFICIENCYREACHESTO223，ANDWHENTHEOUTPUTPOWERIS47DBM，THEEFFICIENCYREACHESTO38，ATLAST，UNDERFULLOUTPUTPOWER,THEEFFICIENCYREACHESAPEAKOF48WITHTHEGAINOFPOWERAMPLIFIEREXCEEDS10DBM，THESYSTEMFULLYADAPTSTHEAPPLICATIONREQUIREMENTIIIABS仃ACTFORHI曲EFFICIENTPOWERAMPLIFIERINWCDMASTANDARDKEYWORDSDIGITALREPEATER；DOHERTYPOWERAMPLIFIER；WCDMAIV厦门大学学位论文原创性声明本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规范试行。另外，该学位论文为课题组的研究成果，获得课题组经费或实验室的资助，在实验室完成。请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。声明人签名窝右屯触1年月日厦门大学学位论文著作权使用声明本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位论文包括纸质版和电子版，允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。本学位论文属于1经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于年月日解密，解密后适用上述授权。2不保密，适用上述授权。请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权。声明人签名勿老屯跏1年月】日绪论11课题研究的背景第1章绪论移动通信经过几代的发展，已成为世界各国主要的通信方式之一。全球第三代无线通信商用网络持续增加，业务日趋丰富。为提供高速率的数据业务和宽带服务，广泛采用了高效率的编码调制技术，所以系统的瞬时传输功率具有较高的峰均比PAR。为满足在高峰均比PAR条件下的线性、无失真的放大，基站的功率放大器常常工作在A类或AB类，采用功率回退的方法，通过牺牲功率放大器的效率来换取线性指标。功率放大器的工作效率仅为10左右，绝大部分的能量以热的形式散失，不仅浪费了大量的能量，而且还带来了基站的热管理问题，影响了系统性能，增加了制作成本。根据2009年2月份中国联通通报，即将在中国国内建设的WCDMA网络，首期预计完成建设77272个基站。若按照每个基站覆盖3个扇区，将需要231816个功率放大器。通过计算不难发现，对于效率仅为10的功率放大器来说，每年因低效率而导致功率耗散所浪费的电费就高达18亿元，再加上额外增加的冷却系统所消耗的能量，每年浪费的电力资源至少2亿元。若功率放大器的效率提高10，每年就可以节约电费至少两千万元。随着无线通信技术的发展和应用，用户对蜂窝移动通信系统的覆盖范围和信号质量的要求也越来越高，移动通信直放站以其有效性和经济性得到广泛应用。直放站作为主设备的延伸，改善网络信号质量，增强网络覆盖范围。与基站相比，直放站具有投资较少、结构简单、安装方便灵活等优点，已广泛应用于一些弱信号区域或盲区，如电梯、地下车库、宾馆、山上风景区、地铁、隧道等场所。目前，直放站已经成为无线网络优化的一种重要手段和延伸网络覆盖距离的优选方案。当代解决功率放大器的效率问题的研究有很多，包括E类放大器开关放大器、包络跟踪技术ENVELOPETRACKINGTECHNOLOGY、LINC技术和DOHERTY放大器等。DOHERTY放大器技术同其他几种技术相比，具有实现方法简单，成本低廉，对系统的线性影响相对较小等优点。随着数字预失真技术的发展，DOHERTY坠业放大器所带来的线性影响，完伞町以通过数字预失真技术来解决。综上所述，研究可以运用于WCDMA数字直放站的高效率DOHEFLY功率放大器将是本文的重点内容。12国内外研究现状关于DOHCNY功率放大器的研究可以追溯到上世纪，DOHE“Y功率放大器结构最早是在1936年山当时贝尔实验室的HDOHCFLY提出。最初的D0HENV放大器由两个真空管和阻抗变换湖络组成，但由于其自身线性度差的缺点，一直没有得到长足的发展。直到2L世纪以后，随着第三代无线通信的发展，特别是随着数字预失真技术的兴起，越束越多的公亩J与研究机构投入到DOHE啊功率放大器的研究工作L束，为DOHCNY功率放大器的研究与发展注入了新的活力。从IEEE以及国内期刊关于DOHEAY功率放大器的论文的数目，如蚓LL所示，DOHER【Y功率放大器已经开始成为高|生能功率放大器领域巾的研究热点。图11IEEE与国内论文从2004年升始，DOHENY功率放大器的研究进入了黄会时期，出现了多种新型的DOHE啊结构，例如，多级DOHENY放大器模型，不对称结构的DOHERTY放大器模型等，但由于DOHE晰功率放大器本身所具有的广阔的市场价值，和经济效益，许多公司以及研究机构都对其取得的研究成果予以保留，公开的DOHEFLY功率放大器研究资料较少。国内开展DOHENY功率放大器研究的时间较晚，直到2006年，才陆续有高校和研究机构开始谚力向的研究，目前尚处于起步阶段。2009年2月2日恩智浦半导体推出全球首欹TDSCDMA和WCDMA基站J蘸绪论用全集成DOHERTY功率放大器，至此，DOHERTY功率放大器研究真正进入白热化阶段。13论文研究目的和意义论文依托课题组承担的福建省科技重大专项新型数字化通信系统关键技术及产业化。研究DOHERTY功率放大器技术对于提高功率放大器效率的原理。设计满足多载波WCDMA制式要求的数字直放站高效率功率放大器。结合数字预失真技术改善系统线性指标，使新型的数字化直放站系统具有更好的性能。本文基于安捷伦AGLIENT公司研发的射频设计软件平台ADSADS，ADVANCEDDESIGNSYSTEM，以软件辅助设计为思想，采用开放性、标准化、高效率的设计方法，完成对DOHERTY功率放大器的设计与实现，提高了功率放大器各相关模块的准确性和可靠性。在与数字预失真相结合的前提下，达到3GPP组织对于WCDMA直放站功率放大器输出信号的要求。14本文的内容和结构本文围绕用于WCDMA数字直放站的DOHERTY功率放大器设计为研究重点，分析功率放大器的性能指标，研究DOHERTY功率放大器的工作原理。借助ADS软件设计平台，对DOHERTY功率放大器的偏置电路、匹配网络、阻抗调制网络等进行设计，并对DOHERTY功率放大器进行验证测试。全文共分为五章第一章引入DOHERTY功率放大器研究的背景与现状，提出了本文研究的目的和意义。第二章介绍衡量功率放大器性能的各项技术指标，以及DOHERTY功率放大器的工作原理。第三章设计基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器。第四章验证测试DOHERTY功率放大器的各项性能指标。第五章总结全文的工作，归纳本文的创新点，并提出下一步工作的设想。基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计第2章DOHERTY功率放大器原理介绍理想的功率放大器是为射频载波信号提供完全透明的传输通道，对工作频带内任意频点的输入信号，在全动态范围内实现固定比率的幅度放大、稳定的相位偏移以及不变的时间延迟，同时不产生任何其他分量的信号成分。但由于实际功率放大器传输函数的非线性，使得功率放大器的输出中不仅包含有载波成分，而且还存在着谐波、杂散、互调失真分量等其他信号成分，同时放大器的增益、相移以及群时延等指标还会随着信号的频率、幅度、环境温度、器件老化等因素发生变化【6。为了对功率放大器的性能直观与全面的描述，射频工程师提出了一系列描述功率放大器性能的参数指标，包括功率放大器的工作频率、功率增益、效率、增益平坦度、IDB压缩点、幅度失真AMAM、相位失真PMAM、邻信道泄漏率ACLR等。本章节以功率放大器的性能为主要研究背景，引入并介绍DOHERTY功率放大器工作原理。21功率放大器的主要技术指标211功率放大器的频率范围功率放大器的频率范围指放大器的工作频率范围。对于WCDMA信号来说，工作频率为2100MHZ,2170MHZ12】。实际中功率放大器的工作频率一定要大于定义的信号的工作频率范围。因此，设计的DOHERTY功率放大器的频率范围是指包含WCDMA信号的工作频率2110MHZ“2170MHZ的频率范围。212功率增益功率增益是指功率放大器功率放大倍数，以输出功率同输入功率比值来描述，通常以对数形式表示，常用单位分贝DB。功率增益的定义为4DOHERTY功率放大器原理介绍功率增益G10LOG篡器21一I输出信号功率DBM输入信号功率DBM213增益平坦度增益平坦度是指功率放大器输出信号幅度随频率的变化量，即用来衡量在整个工作频段内增益的参差，该差值用DB表示。增益平坦度G最大输出幅度DB最小输出幅度DB22214IDB压缩点当输入功率较低时，输出功率和输入功率成比例关系。然而，当输入功率超过一定的量值之后，MOS管的增益开始下降，输出功率达到饱和。当放大器的增益偏离常数LDB时，则称此点为LDB压缩点，记为GL扭，用来衡量放大器的功率容量。GL毋G一1捆23其中G是放大器的功率增益。215效率射频功率放大器中的效率体现了功率放大器把直流电源提供的能量转化为射频能量的能力，通常有三种定义方式，漏极效率R，功率附加效率PAE，POWERADDEDEFFICIENCY，以及综合效率H31。定义射频输出功率为，射频输入功率为圪，直流功率为。漏极效率是射频输出功率和直流功率的比值定义为刁毫协4，功率附加效率PAE，POWERADDEDEFFICIENCY定义为基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计综合效率定义为剐E盆二鱼IPO西UT216幅度失真AMAM和相位失真AMPM2526理想的放大器可以等效为一个双端口网络，输出电压是输入电压的瞬时值函数，放大器的传输特性函数可以表示为F7】VOT九EF】27其中VOT为放大器的输出电压，UF为放大器的输入电压。如果该函数的各阶导数均存在，则可以展开幂级数形式VOT岛坼R屯V；O岛V；F28对于理想的线性功率放大器来说，可以表示为1，口FKLVFF29理想的放大器的AMAM和AMPM曲线如图21所示。I竺型图21理想AMAM与AMPM特性曲线实际对于功率放大器来说，系统本身具有非线性。当输入信号是单一频率的信号，即VF，杉COSOFR时，6DOHERTY功率放大器原理介绍VOT毛KCOSO_FTK2杉2COS2彩，TK3K3COS3国IT芝1KK2毛K詈屯形3C。SQR21012KGCOS2EO。T也K3COS3够一上式表明，由于系统的非线性，输出信号中除了输入信号频率，还出现了新的直流分量和二次谐波2以、三次谐波3哆的分量。放大器的增益不再是理想的线性增益后，而是七。K三后，形3，K3。，则尼。巧三岛K3后。，这一特性称之为增益扩张，反之若K，4532仿真平台介绍ADSEDA软件全称为ADVANCEDDESIGNSYSTEM是美国AGILENT公司开发的用于电子自动化设计的软件；ADS功能十分强大，包含时域电路仿真SPICELIKESIMULATION、频域电路仿真HARMONICBALANCE、LINEARANALYSIS、三维电磁仿真EMSIMULATION、通信系统仿真COMMUNICATIONSYSTEMSIMULATION和数字信号处理仿真设计DSP；支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频微波模块到用于通信和航天国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波射频电路和通信系统仿真软件。20DOHERTY功率放大器设计33DOHERTY功率放大器仿真设计331直流分析所谓直流分析，就是研究MOS管的栅极偏置电压与漏极电流对于MOS管工作状态的影响，即静态工作点。当输入信号为零时，电路处于直流工作状态，这些直流电流、电压的数值在MOS管特性曲线上表示为一个确定的点，设置静态工作点的目的就是要保证MOS管的工作状态【2L】。根据飞思卡尔FREESCALE公司提供的LDMOS晶体管模型库，在ADS软件中构建MOS管MRF6S21140模型，并测试MOS管的直流特性曲线。如图31所示的电路模型，其中VDC表示直流电源，1PROBE表示电流表，设定扫描的参数分别为漏极电压和栅极电压，测量在不同的栅极偏置电压05V下，扫描漏极偏置电压0“56V对应的漏极电流K，获得一组关于MOS管MRF6S21140静态工作时的特性曲线。图31DC特性分析如图32所示，每一条曲线表示了在不同栅极电压下对应的漏极电压与漏极电流K的关系，即MOS管的伏安特性曲线。2L基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计IQINDEPIQ28000PLOT_VSIDSI，VDS2352VGS2800000VUS图32MOS管直流IV曲线根据飞思卡尔FRCCSCALE公司提供的MRF6S21140的参考设计，设定漏极电压28V，改变栅极偏置电压测量漏极电流K，如图33所示，当28V，28V时，LDMOS管MRF6S21140工作在AB类；在O4V，28V时，LDMOS管工作在C类。IQINDEPIQ2800PLOT_VSIDSI，VGS235，DS280000007，。VGS图33漏极电流与栅极偏置电压曲线332负载牵引LOADPULL和源牵引SOURCEPULL功率放大器的输出功率是最重要的指标之一。为了让有源器件输出功率达到最大，微波功率放大器一般工作在大信号状态下，表现出很强的非线性特性，产22DOHERTY功率放大器设计生了一系列的失真。传统的基于线性理论的小信号放大器设计方式已经不适用于微波功率放大器的设计口O】。负载牵引LOADPULL是设计微波功放领域一种流行的设计方法，该方法可以在没有大信号S参数的情况下，通过不断变化负载阻抗同时保证输入阻抗匹配，找到可以让有源器件输出功率最大的输出阻抗，同理也可以找到有源器件输出效率最高的输出阻抗。在SMITH圆图上将相同的功率增益对应的负载点连起来得到等增益圆，就能近似地反映待测电路所能够提供的最大输出效率和最大功率输出。源牵引SOURCEPULL与负载牵引LOADPULL相似，通过可调的测量设备测量在不同输入阻抗条件下有源器件的输出功率和效率，以获得在最大输出功率时的输入阻抗与最高输出效率时的输入阻抗。负载牵引LOADPULL设计许多年以来一直是射频RF和微波功率放大电路设计的支柱方法。负载牵引LOADPULL对于大功率功放设计是必需的，尤其是对于宽频带、高效率等要求较高的设计，但负载牵引LOADPULL系统的搭建很复杂，要求高，造价昂贵。随着EDA技术的发展，利用有源器件的非线性模型，进行仿真负载牵引LOADPULL和源牵引SOURCEPULL已成为功率放大器设计的新趋势。本设计中借助ADS软件提供的电路模型，构建负载牵引LOADPULL和源牵引SOURCEPULL网络，测量在最大输出效率和最大输出功率条件下，功率放大器的最佳输入阻抗与最佳输出最抗。源牵引SOURCEPULL和负载牵引LOADPULL的仿真电路分别如图34和图35所示。源牵引SOURCEPULL电路与负载牵引LOADPULL电路共分为两个部分可调源与可调负载，其中可调源用于推动待测电路，提供功率放大器所需要的功率增益，通过可调负载来测量在该增益条件下的输出功率与输出效率。图34与图35中，DCBLOCK表示理想隔直流元器件，用于隔断直流信号对功率放大器的影响；DCFEED表示理想隔交流元器件，用于隔断交流信号对于偏置电路的影响；Z1PEQN表示源牵引SOURCEPULL中的源可调负载；SIPEQN表示负载牵引LOADPULL中的可调负载。设置平均输入功率为35DBM，工作频率为2140MHZ，漏极偏置电压为28V，栅极偏置电压为28V。对于源牵引SOURCEPULL设置SL的扫描中心SLCENTER053J簟0284，扫描半径S，RHO0422，扫描的点数为600个，特性阻抗为50。对于负载牵引LOADPULL23基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计设置墨L的扫描中心STLCENTER一0573，木O021，扫描半径SLRHO0426，扫描的点数为1000个，特性阻抗为50。F硼图34源牵引SOURCEPULL图35负载牵引LOADPULL源牵引SOURCEPULL和负载牵LOADPULL引采用迭代的牵引思想。负载牵引LOADPULL输出阻抗的初始值为100。设F表示牵引的次数，ZO，表示第DOHERTY功率放大器设计I次负载牵引LOADPULL得出的最佳输出最抗，乙J表示第F次源牵引SOURCCPULL得出的最佳输入阻抗。测量时将第I次负载牵引LOADPULL得到的最佳输出阻抗乙，带入到第I1次源牵引SOURCEPULL中，得到第I1次最佳输入阻抗Z，川，再将Z，JI带入第I1次负载牵引LOADPULL中，求得第I1次最佳输出阻抗Z“，如此反复多次迭代多次之后，就可以分别得到收敛的最大输出功率与最大输出效率对应的输入、输出阻抗值，如图36所示。图36迭代牵引方法流程图负载牵引LOADPULL与源牵引SOURCEPULL的精度，与设定的范围以及取得点的数目有关，经过5,6次迭代牵引后，输入与输出阻抗开始出现收敛。图37所示的源牵引SOURCEPULL部分与图38所示的负载牵引LOADPULL部分，在SMITH圆图上绘制两种曲线，粗曲线表示功率放大器的等效率圆，细曲线表示功率放大器的等功率圆，其中PAESTEP表示等效率圆之间的效率间隔，PDELSTEP表示等功率圆的功率间隔，M聊剐ELINE表示绘制的等效率圆的个数，NUMPDELLINE表示绘制的等功率圆的个数。图37显示了在源牵引SOURCEPULL条件下的测量值，当输入阻抗为25基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计6088一，木11126时，功率放大器的输出效率达到最高6239；当输入阻抗为7658一J13948时，功率放大器的输出功率达到最大5125DBM。正如前面介绍过的，最大输出功率与最高输出效率对应着不同的输入阻抗，为了能够即获得较大的输出功率同时保证较高的输出效率，本文对输入阻抗的取值进行了折中，在所有600个测量点中，选取输入阻抗为7708一JLO369，此时，功率放大器的输出功率为5122DBM，与最大输出功率相比减小约003DBM；输出效率为6238，与最高输出效率降低约001。可以近似认为，在该输入阻抗条件下，功率放大器的输出效率和输出功率同时达到了最大。图37固SETNWREFERENCE图38显示了在负载牵引LOADPULL条件下的测量值，当输出阻抗为2231一J1678时，功率放大器的最高输出效率为6483；当输出阻抗为1651一木2399时，功率放大器的最大输出功率为5141DBM。同理对输出阻抗的取值进行了折中，在所有1000个测量点中，选取输出阻抗为1647一歹2378，此时，功率放大器的输出功率为5141DBM，与最大输出功率相同；输出效率为26DOHERTY功率放大器设计6183，与最高输出效率相比，下降约3。222鲁G宣2皇G窨RATMDS”L固SELNEWREFERENCE丽幽图38负载牵引LOADPULL得到输出阻抗通过负载牵引LOADPULL和源牵引SOURCEPULL，可以得出以下结论在工作频率2140MHZ时，MRF6S21140功率放大器的最大输出功率约为5LDBM，最高输出效率约为62，最佳输入最抗为7708一JLO369，最佳输出阻抗为1647一J木2378。图39为FREESCALE公司提供的MRF6S21140的最佳输入、输出阻抗值191。通过对比，仿真结果取值与参考取值基本相同，而且更适合于平台仿真。FZ州撇己涮MHZQQ20807FI3一J10。99140J3。032“O757一J10，6713712，782140758J10231341252217075119731。32122822007441932131I206图39MRF6S21140参考输入输出阻抗”稚擎聪基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计333偏置电路设计与匹配网络设计对于WCDMA信号来说，其信号带宽为60MHZ，中心频率为2140MHZ，带宽与中心频率的比仅为28。根据工程经验，当带宽与中心频率的比小于15时，就可以近似的按照窄带对功率放大器的偏置电路进行设计。工作频点为WCDMA的中心频率2140MHZ。因此，我们的偏置电路与匹配网络都按照中心频率作为设计的DOHERTY功率放大器偏置电路与匹配网络的工作频率。在无线宽带应用环境下，随着调制信号的带宽和功率的增加，射频功率放大器的记忆效应也越来越显著，在设计射频功率放大器中如何降低记忆效应变得越来越重要。射频功率放大器的记忆效应主要分成两种电记忆效应和热记忆效应。3331功率放大器的热记忆效应热记忆效应主要是由耗散功率引起，而耗散功率所引起的温度变化是由热阻抗决定的。有源器件中的热阻抗并不是纯电阻性的，而是形成了一个有着较宽范围时间常数的分布式滤波器，这意味着由耗散功率引起的温度变化并不是立即就表现出来的。场效应管的耗散功率可以表示为易脚厶31其中，和厶分别是漏源电压和漏极电流。图3一LO给出了功率放大器的热记忆效应的模型。从硅片、密封层和散热片传出来的热流散布到周围环境中，对一个硅基底的场效应管来说，由于只有耗散功率的直流和包络成分位于热滤波器的通带内，而且硅片的温度随着输入信号动态变化，MOS管的一些电参数如漏源电流、输出阻抗等会随温度改变，因此理论上，动态的自热效应必然会引起失真，功率MOS管的热记忆效应不可避免【8】【9L。DOHERTY功率放大器设计幻图310功率放大器的热流模型3332偏置网络的电记忆特性通常情况下，偏置网络的目的是给有源器件提供电源电压和电流，而不干扰射频信号传输。同时，偏置网络也起到隔离射频RF信号馈送到偏置电源的作用，避免有源器件工作的不稳定【22】【23】。在传统的偏置网络设计中，偏置电路在射频频率处的阻抗一般要远大于器件输入和输出匹配电路的阻抗。VUOLEVI和RAHKONEN测量过一个MESFET金属半导体场效应管放大器偏置网络阻抗对包络频率、基波频率及二次谐波频率的变化规律，在工作带宽内，基波和二次谐波频率阻抗几乎恒定，而包络频率阻抗则变化很大【111。在输入信号是非恒定包络的情况下，直流电源会产生电流波动从而导致直流电压波动，电压的波动又会引起了射频信号的幅度调制，导致了记忆效应的产生。3333匹配网络的电记忆特性放大器设计中，输入和输出匹配网络通常是用来防止有源器件MOS管与源、负载终端约为500HM在基波频率处的失配。理论上要求匹配网络应能在任何频率上完全吸收从有源器件反射回来的信号，但实际上由于匹配网络的带宽有限，通常设计等同于基波信号的带宽，故只能吸收此带宽内的反射信号，其它频率信号必然会反射到源负载端。当输入为双音信号时，由于放大器的非线性第一次混频过程输出频谱中会产生0次，2次，3次，K次谐波频率成分，这些频率成分的信号无法被输入匹配网络吸收的话将会反射到输入端，与输入的双音信号混合再经非线性放大器作用第二次混频过程，最终改变了输出频谱【161。在第二次混频过程中，29雠洲一一一基于WCDMA标准的数字直放站D0HERTY功率放大器设计需着重指出的是，双音输入信号与反射回来的偶次谐波信号混频产生了奇阶IMD分量，在输出频谱中将与第一次混频产生的奇阶IMD产物相叠加。此处所讨论的混频过程仅限于三阶非线性产物，因为对更高阶非线性来说，混频过程将变得非常复杂。如图310所示，最终输出的基频三阶IMD产物是放大器两次混频过程产生的IMD信号叠加后的矢量和，包括以下三部分放大器三次方非线性第一次混频过程产生的三阶IMD信号20。一国O_K边带基波频率彩，和二次谐波频率20。的混频产物第二次混频过程OF边带基波频率Q和包络频率Q一国的混频产物第二次混频过程未复暑REIMD3L图310三阶互调产生的矢量和可见，基波和二次谐波阻抗对记忆效应贡献甚微，包络阻抗对记忆效应起了主要作用。包络频率可从直流变化到最大的调制频率，为避免记忆效应，其输出阻抗在整个频率范围内必须保持不变或变化很小。3334削减记忆效应的方法从记忆效应产生的原因上看，要削减记忆效应主要包括电记忆效应的削减和热记忆效应的削减。30DOHERTY功率放大器设计功率放大器的电记忆效应主要是由偏置电路和匹配网络节点阻抗的变化引起的，所以主要通过偏置网络和输入、输出网络匹配的合理设计来削减电记忆效应。理想情况下，为避免包络频率对偏置网络的影响，偏置电路在包络频率处应短路，在射频频率处应开路N3儿14151。实际上，很难设计出同时满足这两种要求的阻抗电路，而且，在宽带应用中包络频率带宽内实现短路阻抗也很不容易，因此，常常通过在栅漏极增加并联电容使包络频率在信号带宽范围内产生短路，来消除记忆效应。如果指望通过优化偏置阻抗完全消除失真是不可能的，但可以通过阻抗上的微小变化平滑记忆效应。功率放大器的热记忆效应主要是由耗散功率引起的，所以需要通过热补偿网络来消除。3335栅极偏置电路的设计栅极偏置电路的作用1提供一个稳定的栅源电压；2提供正反向栅极偏置电流乞；3提供稳定器件的工作状态；4在不影响输入匹配的情况下去耦、滤波；栅极偏置电路的设计共包括两种，一种是偏置电路不参与匹配网络的设计，另一种则是偏置电路参与匹配网络的设计【17】。图311展示了不参与匹配功能的偏置电路设计。这里，栅极电阻R。要尽可能靠近器件的栅极以进行ESDS保护和防止自激振荡。由于栅极的电流很小，所以第一级24高阻微带线的特性阻抗可以取得很高。图312为偏置电路作为匹配电路的一部分，表现为一段微带线和输入匹配电路并联。这种情况下R。不能连接在匹配电路和偏置电路之间，而是连接在这一段微带线的末端和C2之间。RG与大电容C2相连起到保护栅极的目的。为了减小匹配网络设计中的难度，本文将采用栅极偏置网络不参与匹配网络的设计方案。基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计栅栅懿频信号图311栅极偏置电路不参与匹配网络射频信号，图312栅极偏置作为匹配网络的一部分图313为MOS管物理器件等效模型【441。在考虑MOS管的低频稳定性问题时，电阻RG要尽量靠近MOS管的栅极。在低频信号时，隔直电容近似开路，电容近似短路，此时，若栅极呈现出负阻抗特性足R0，则MOS管的工作状态是稳定的。这就要求RG必须有足够的阻抗，而且到地的连接要尽量短。靠近栅极连接RG可以尽可能减小到地的连接长度。32DOHCRTY功率放人器设计C向图313MOS管物理器件等效电路模型漏极源极RD为防止MOS管被击穿，并为MOS管提供正向偏置电压，以及静电保护等目的。栅极偏置电路要求尺G具有一定的值。但是这个值又不能太大，因为在驱动电平变化时，必须保持为常量。同时，MOS管的热稳定性要求也限制了B的大小。在工程计算上，可以通过下面的公式来近似计算栅极所需要的电阻值毽381毽400P，OT32其中，毽为栅极电阻，单位为011IIL；厶是MOS管的饱和输出功率，单位为W。对于MOS管MRF6S21140来说，饱和输出功率为40W，本文设计的DOHERTY单管栅极偏置电路所需要的RG可以求得基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计毽400岛40040LOOHM33所以，R。取标称电阻100HM。电记忆效应会随着功率放大器偏置网络中储能元件的变化而变化，通过调节偏置电路中电容或电感的值来减小包络频率对功率放大器失真的影响。理想情况下，为避免包络频率对偏置网络的影响，偏置电路在包络频率处应短路，在射频频率处应开路，以隔绝射频信号作用于偏置电路。采用2,4微带线与68PF电容组成网络【19】【39】【40】，使得从MOS管的端II向偏置电路看进去的射频I阻抗呈现高阻抗特性，以隔绝射频I江信号对于偏置电路的影响；220NF与10UF作为旁路电容18】【191，用于短路包络频率对栅极偏置电路的影响，平滑记忆效应。具体设计如图314所示，在保证栅极偏置电路稳定的前提下，能为MOS管提供稳定的偏置电压，减小因为包络频率所产生的记忆效应。IPROBE图314栅极匹配网络3336漏极偏置电路的设计漏极偏置电路有以下几个功能1提供一个稳定的漏极电压；MRFSMODELMRF6S21140HDOHERTY功率放大器设计2给漏极提供满足L的最大电流；3使功率放大器在工作频段内工作稳定；4滤波作用，滤除由功率放大器产生的中高低频信号各次谐波。图315表示的是一般放大器的漏极偏置电路。如果该电路用做匹配电路的一部分，第一节的电长度应小于90。，该电路的阻抗为Z，和输出匹配网路并联。如果该电路的功能仅仅是提供偏置电路，则第一节的电长度秒90。，其阻抗为无穷大。射频信号，图315漏极偏置电路置对于第一节微带线必须通过较大的漏极电流屯。这就意味着对于第一节微带线的最小宽度有限制，另外它的特性阻抗也不能很高。为了减少偏置电路的直流压降，该节微带线的宽度应该尽可能的宽。同时，它的特性阻抗还必须和放大器的工作带宽相适应，放大器的工作频率应小于微带线的截止频率，以防止产生高次模，微带线的截止频率为【38】VC300ERO52W08H】34其中E表示的是截止频率，以GHZ为单位；W和H分别代表微带线的宽度和厚度，以毫米为单位；ER表示基材的介电常数。设计中采用的基材介电常数E，255，漏极偏置线的宽度为82MIL，高度为35基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计LOZ铺铜约为14MIL，根据式34可得E300255玑52X8008XL4X002543545GHZ对于运用于WCDMA数字直放站的功率放大器来说，工作频率介于2110GHZ2170GHZ之间，远小于微带线的截止频率45GHZ。基于稳定性的考虑，当第一段微带线电路仅作为偏置电路时，和匹配电路的连接点应尽可能的靠近MOS管的漏极。这种情况下，对于所有的频率，漏极的接地通路都很短，并且直流的压降也最小。漏极设计仍然采用偏置网络不参与匹配网络的设计思想。漏极偏置网络由一段1,4微带线和68PF，100RTF，10UF电容组成，其中24微带线与68PF电容组成高阻抗网络【191139】【40】【4L】，遏止射频RF信号，以及输出信号的各次谐波对偏置电路的影响，另外，电容100NF与10UF组成滤波网络，防止输出信号的低频分量对漏极偏置的影响，平滑功率放大器的记忆效应。另外，根据FREESCALE提供的参考设计，采用这种对称的网络结构，可以有效的改善功放的记忆效应【191，如图316所示。图316漏极偏置电路36DOHERTY功率放大器设计3337输入匹配网络设计对于输入匹配网络，滤波的作用要远大于构建匹配网络。为了设计一款具有良好性能的DOHERTY功率放大器，输入匹配网络是相当重要的，其首要作用就是滤除干扰信号，减小干扰信号对于功率放大器性能的影响；其次，完成从500HM到输入阻抗的匹配，减小输入反射，提高输出功率和效率。因此在设计中为实现上述目的，将输入匹配网络构建成为一个带通滤波器。根据源牵引SOURCEPULL测得最佳输入阻抗为7708一，毒10369，采用共轭匹配的形式，实现功率放大器的最大功率输出。输入匹配的SMITH圆图如图317所示图317输入匹配网络SMITH圆图生成的输入匹配网络如图318所示，匹配网络由三段微带线和两个电容组成，其中TL79在匹配网络中起固定MOS管的作用，所以，TL79的特性阻抗较小；电容C55在匹配电路中起到阻隔直流信号和低频信号的作用，防止低频信号对功率放大器性能的影响；TL80，C56，TL81组成的T型匹配网络，完成输入阻抗的匹配。37基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计CC55C1DF图318输入匹配网络输入匹配网络的传输特性如图319所示，输入匹配的3DB带宽约为15GHZ“25GHZ之间，满足带通滤波器的要求，同时在中心频率2140MHZ的情况下，对于输入匹配S1，1一54DB，S2，2一54DB，具有较小的反射系数，并且在2110MHZ2170MHZ的范围内都具有较小的反射系数，匹配情况良好。FORWARDTRANSMISSIONDB少一、I|、二。LFREQ。GHZ3338输出匹配网络设计REVERSETRANSMISSION，DB，一、IL、。H。FOHB伪BHOBOHBFREQ。GHZ输出反射系数输出匹配网络作为DOHERTY功率放大器的重要部分，主要实现从到2尺叫38DOHERTY功率放人器设计的阻抗匹配，是能否实现DOHERTY功率放大器的关键。对于DOHERTY功率放大器的输出匹配网络来说，匹配网络设计不仅仅完成从输出阻抗到输出负载500HM之间的阻抗匹配，关键还在于实现阻抗负载调制过程中，输出阻抗2如与输出负载1000HM之间的阻抗匹配问题。使得DOHERTY功率放大器与AB类放大器相比，功率输出提前3DB饱和，功率放大器的效率提高一倍。在输出匹配过程中，完成从负载阻抗500HM到输出阻抗R倒的匹配。进行输出负载调制，当输出负载阻抗变为2倍时，输出阻抗并未能匹配到2，而是分布在如图320所示的黑点处，造成DOHERTY功率放大器输出阻抗的不完全调制。图320DOHERTY输出失配示意图因此，需要在输出端构建补偿网络，来补偿因为阻抗变换而带来的相位差。原理如图321所示，在输出匹配之后，插入了一段微带线，微带线起到了相位补偿的作用。39基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计图321带有补偿网路的DOHERTY功率放大器根据负载牵引LOADPULL所测得的最佳输出阻抗R叫为1647一木2378。输出匹配的SMITH圆图如图322所示，在设计满足从500HM到最佳输出阻抗R叫的匹配网络时，通过加入适当的相位补偿线，满足在负载调制过程中，输出负载阻抗从1000HM至U2ROP,的匹配要求。AB图322负载50欧姆时的输出匹配A和负载100欧姆时的输出匹配B生成的输出匹配网络如图323所示，其中TL79为补偿网络，它补偿了因为阻抗调制所导致的相位差。电容C55用于隔绝直流信号和低频信号。TL82用以固定MOS管，因此特性阻抗较小。TL81、TL80和电容C56构成T型匹配网络，完成输出阻抗的匹配。DOHERTY功率放大器设计魄1182SUBSK“鼬BL。悯920MLL8700RNLMI烈C1180C55SUB6T蕾MSUBL。010一W820旧L499NIL图323输出匹配网络ML舶尚1179甩SU随忙。MSUBL。NUM2W1820NL1290_输出匹配网络对负载阻抗为500HM时的传输特性如图324所示，输出匹配网络对于输出频率为2140MHZ的输出信号来说，功率放大器具有较小的反射系数，S1，1一50DB，S2，2一50DB，而且在21102170MHZ频带范围内都具有较小的反射系数，输出匹配效果良好。另外，输出匹配网络的3DB带宽约为15GHZ27GHZ，具有较好的带通滤波效果。FORWARDTRANSMISSIONDBREVERSETRANSMISSION，DBT。、TJF。I101520253035404550FREQ，GHZ024盒Q磊_6吝口书10127101520253035404550FREQ，GHZ图324输出匹配到50欧姆输出匹配网络对负载阻抗为1000HM时的传输特性如图325所示，在2110“2170MHZ频带范围内都具有较小的反射系数，输出反射系数S1，1L，则反射电压的幅度变大正反馈并导致不稳定现象。反之，若IFOI143基于WCDMA标准的数字直放站DOHERTY功率放大器设计且B0时，放大器绝对稳定一纠LOJ。七坐挫端产6，BLIS。12一IS12一IS。拳S一S，宰S2112O37此外，在ADS中还有另外两个指标，用来衡量系统的稳定性，MUS1且MUPRIMES1来描述系统的绝对稳定性【421。瓦丽而两爿兰再丽列8，胁一概阿丽瓦邢爿掣萨丽列”如图328所示为DOHERTY功率放大器中的载波放大器的稳定性测试的原理图，其中控件STABMEAS表示B，控件STABFACT表