（通信与信息系统专业论文）基于wcdma标准的数字直放站doherty功率放大器设计.pdf

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w c d m a 信号， 具有较高的峰均比。以功率回退设计的a 类或a b 类功率放大器难以满足在高峰 均比( p a r ) 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( d p d ，d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ) 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d o h e r t y 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d o h e r t y 功率放大器的结构特点，以及工作原理；针对 w c d m a 数字直放站功率放大器的性能指标要求，以a g i l e n t 公司提供的a d s 软件( a d s ，a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 为仿真平台，采用f r e e s c a l e 公司的 m r f 6 s 2 1 1 4 0l d m o s 管，设计了一款满足高效率要求的d o h e r t y 功率放大器。 主要工作包括如下几个方面：首先，针对m r f 6 s 2 1 1 4 0l d m o s 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d o h e r t y 功 率放大器的性能指标；再次，借助a d s 软件提供的3 g p p 基站功率放大器测试 模型，对d o h e r t y 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：d o h e r t y 功率放大器的效率达到设计要求，在输出功率 4 3 d b m 时，效率达到2 2 3 ，输出功率4 7 d b m 时，效率达到3 8 ，饱和输出时， 效率达到4 8 。平均功率增益超过1 0 d b ，能够满足w c d m a 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，d o h e r t y 功率放大器，w c d m a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f3 gt e c h n o l o g y , t h ew c d m a s i g n a li sc h a r a c t e r i z e d 、析t i lah i g h e rp a r , i nw h i c hm u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o ni s a d o p t e d t h ep o w e r a m p l i f i e r s ，c l a s sa a n da b ，u s i n gp o w e rb a c k o f fs c h e m ea r ed i f f i c u l tt om e e tt h e e f f i e n c yr e q u i r e m e n tu n d e rt h ec o n d i c t i o no fah i g hp a r , w h i c hc a u s eah u g ee n e r g y d i s s i p a t i o nw h i l ep r o d u c i n gal o to fh e a t w h a t sm o r e ，i td e g r a d e st h es y s t e m p e r f o r m a n c ea n dr a i s e st h ep r o d u c t i o nc o s t t h e r e f o r e ，e n h a n c i n gt h ee f f i c i e n c yo f p o w e ra m p l i f i e ri so n eo f t h ek e yp o i n s to f3 gb a s e ds t a t i o na n dr e p e a t e r i nr e c e n t y e a r s ，诵t l lt h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lp r e d i s t o r t i o nt e c h n o l o g y ( d p d ) ，t h el i n e a r i t y o fp o w e ra m p l i f i e rh a sb e e ni m p r o v e d t h e nt h es t u d ya n da p p l i c a t i o no fd o h e r t y p o w e ra m p l i f i e ri nw c d m ad i g i t a lr e p e a t e rb e c o m e sah o ts p o t t h i sp a p e rs t u d i e st h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fd o h e r t y p o w e ra m p l i f i e rt h e nd e s i g n st h ed o h e r t yp o w e ra m p l i f i e ra c c o r d i n gt ot h em o d e lo f m r f 6 s 2114 0l d m o sa n da d o p t st h ea d ss o f t w a r ed e v e l o p e db ya g i l e n tc o m p a n y t ob et h es i m u l a t i o ns o f t w a r e m a i nw o r ki n c l u d i n g ：f i r s t l y , o p t i m a ld e s i g n sf o rb i a s c i r c u i td e s i g n ，m a t c h i n gn e t w o r kd e s i g n ，a n dt h el o a dm o d u l a t i o na r e g i v e n s e c o n d l y , ad e s i g ns t r a t e g ew i t hac o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no fo f f s e tl i n en e t w o r k i no u t p u tm a t c hi sa d o p t e d m e a n w h i l e ，ao f f s e tl i n e 谢t l la p p r o p r i a t el e n g t hi sa d d e d ， w h i c ho f f e ras o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fp o w e rl e a k a g ea n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fd o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r t h i r d l y , t h es i m u l a t i o na n a l y s i si sp r e s e n t e dw h i c hi s b a s e do nw c d m a3 g p ps o f t w a r et e s tp l a t f o r mo f f e r e db ya d s f i n a l l y , h a r d w a r e m o d u l e sa r ed e v e l o p e dt ov e r i f yt h es y s t e m t h et e s tr e s u l ts h o w st h a t ，t h eo u t p u tp o w e ra d d e de f f i c i e n c yo fd o h e r t yp o w e r a m p l i f i e rc o v e rt h eb a s i cn e e d s ，w h e nt h eo u t p u tp o w e ri s4 3 d b m ，t h ee f f i c i e n c y r e a c h e st o2 2 3 ，a n dw h e nt h eo u t p u tp o w e ri s4 7 d b m ，t h ee f f i c i e n c yr e a c h e st o3 8 ， a tl a s t ，u n d e rf u l lo u t p u tp o w e r , t h ee f f i c i e n c yr e a c h e sa p e a ko f 4 8 w i t ht h eg a i no f p o w e ra m p l i f i e re x c e e d s10 d b m ，t h es y s t e mf u l l ya d a p t st h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t i i i a b s 仃a c t f o rh i 曲e f f i c i e n tp o w e ra m p l i f i e ri nw c d m as t a n d a r d k e y w o r d s ：d i g i t a lr e p e a t e r ；d o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r ；w c d m a i v 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 1 1 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( p a r ) 。为满足在高峰均比( p a r ) 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a b 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1 0 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2 0 0 9 年2 月份中国联通通报，即将在中国国内建设的w c d m a 网 络，首期预计完成建设7 7 2 7 2 个基站。若按照每个基站覆盖3 个扇区，将需要 2 3 1 8 1 6 个功率放大器。通过计算不难发现，对于效率仅为1 0 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1 8 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1 0 ，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( e n v e l o p e t r a c k i n gt e c h n o l o g y ) 、l i n c 技术和d o h e r t y 放 大器等。d o h e r t y 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，d o h e r t y ! ! ! ! ! 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w c d m a 数字直放站的高效率d o h e f l y 功率放 大器将是本文的重点内容。 1 2 国内外研究现状 关于d o h c n y 功率放大器的研究可以追溯到上世纪，d o h e “y 功率放大器结 构最早是在1 9 3 6 年山当时贝尔实验室的h d o h c f l y 提出。最初的d 0 h e n v 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2 l 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d o h e 啊功率放大 器的研究工作l 束，为d o h c n y 功率放大器的研究与发展注入了新的活力。从 i e e e 以及国内期刊关于d o h e a y 功率放大器的论文的数目，如蚓l l 所示， d o h e r 【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1 - 1 ：i e e e 与国内论文 从2 0 0 4 年升始，d o h e n y 功率放大器的研究进入了黄会时期，出现了多种新 型的d o h e 啊结构，例如，多级d o h e n y 放大器模型，不对称结构的d o h e r t y 放 大器模型等，但由于d o h e 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d o h e f l y 功率放大器研究资料较少。国内开展d o h e n y 功率放大器研究的时间较晚，直到 2 0 0 6 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。 2 0 0 9 年2 月2 日恩智浦半导体推出全球首欹t d s c d m a 和w c d m a 基站 j蘸 绪论 用全集成d o h e r t y 功率放大器，至此，d o h e r t y 功率放大器研究真正进入白热化 阶段。 1 3 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d o h e r t y 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w c d m a 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( a g l i e n t ) 公司研发的射频设计软件平台a d s ( a d s ， a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) ，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d o h e r t y 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3 g p p 组织 对于w c d m a 直放站功率放大器输出信号的要求。 1 4 本文的内容和结构 本文围绕用于w c d m a 数字直放站的d o h e r t y 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d o h e r t y 功率放大器的工作原理。借助a d s 软件设计平台，对d o h e r t y 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d o h e r t y 功率放大器进行验证测试。全文共分为五章： 第一章引入d o h e r t y 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d o h e r t y 功率放大器 的工作原理。 第三章设计基于w c d m a 标准的数字直放站d o h e r t y 功率放大器。 第四章验证测试d o h e r t y 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w c d m a 标准的数字直放站d o h e r t y 功率放大器设计 第2 章d o h e r t y 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、i d b 压缩点、幅度失真( a m a m ) 、相位失真( p m a m ) 、邻信道泄 漏率( a c l r ) 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d o h e r t y 功率放大 器工作原理。 2 1 功率放大器的主要技术指标 2 1 1 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w c d m a 信号来说， 工作频率为2 1 0 0 m h z - - - , 2 1 7 0 m h z 1 2 】。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d o h e r t y 功率放大器的频率范围是指 包含w c d m a 信号的工作频率( 2 1 1 0 m h z - 2 1 7 0 m h z ) 的频率范围。 2 1 2 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( d b ) 。功率增益的定义为： 4 d o h e r t y 功率放大器原理介绍 功率增益( g ) = 1 0 l o g 篡器 ( 2 1 ) 一i 输出信号功率( d b m ) 输入信号功率( d b m ) 2 1 3 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d b 表示。 增益平坦度( g ) = 最大输出幅度( d b ) 最小输出幅度( d b ) ( 2 2 ) 2 1 4i d b 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，m o s 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l d b 时，则称此点为l d b 压缩点，记为g l 扭，用来衡量放大器的 功率容量。 g l 毋= g 一1 捆 ( 2 - 3 ) 其中g 是放大器的功率增益。 2 1 5 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( p a e ， p o w e r a d d e de f f i c i e n c y ) ，以及综合效率h 3 1 。 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( p a e ，p o w e ra d d e de f f i c i e n c y ) 定义为： 基于w c d m a 标准的数字直放站d o h e r t y 功率放大器设计 综合效率定义为： 剐e ：盆二鱼 = i p o 西u t 2 1 6 幅度失真( a m - a m ) 和相位失真( a m p m ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 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f 7 】： v o ( t ) = 九e ( f ) 】 ( 2 - 7 ) 其中v o ( t ) 为放大器的输出电压，u ( f ) 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： v o ( t ) = 岛坼( r ) + 屯v ；o ) + 岛v ；( f ) + ( 2 8 ) 对于理想的线性功率放大器来说，可以表示为： 1 ，口( f ) = k l v f ( f ) ( 2 9 ) 理想的放大器的a m a m 和a m p m 曲线如图2 1 所示。 i ! 竺型 - 图2 - 1 ：理想a m a m 与a m p m 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v f ( ，) = 杉c o s ( o f r 时， 6 d o h e r t y 功率放大器原理介绍 v o ( t ) = 毛kc o s ( o _ f t + k 2 杉2c o s 2 彩，t + k 3 k 3c o s 3 国i t + = 芝1k ：k 2 + ( 毛k + 詈屯形3 c 。s q r ( 2 - 1 0 ) + 1 2k ：g c o s 2 e o 。t + 也k 3c o s 3 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 ) ，k 3 。，则( 尼。巧+ 三岛k 3 ) 后。，这一特性 称之为增益扩张，反之若k ， 0 则称之为增益压缩。大部分的功率放大器，随着 输入功率的升高都会出现增益压缩的现象，这就是所谓的a m a m 转换效应 7 1 。 除了非线性导致的幅度失真以外，放大器还存在另外一种失真，即相位失真。 相位失真是增益压缩的直接结果，由于系统传递函数h ( j c o ) = i h ( j o ) ) e x p j ( e o ) 相位与频率间的非线性关系，信号通过功率放大器时会产生一定的相移，相移的 大小随输入功率的大小而变化。电路进入饱和后，相位失真将非常的严重，这就 是a m p m 转换失真。在通信系统中，相位失真将使系统的群时延失真，微分相 位、微分增益和互调失真变坏。同时，相位失真的存在将使输出的信号中存在调 相分量，产生杂波干扰。 群时延定义为： f 。：一堂 ( 2 i i ) 当系统相移特性是线性的，意味着对信号所有频率分量有着固定的时延，群 时延为与频率无关的常数：若系统相移特性是非线性的，则信号的各个频率分量 将受到不同的延迟，导致相位失真，群时延是和频率有关的函数。 实际功率放大器的a m a m 和a m p m 特性曲线如图2 2 所示。功率放大器 a m a m 曲线显示，随着输入功率的增大，输出信号的幅度变化出现了非线性， 在输出功率达到饱和时，功率放大器的输出功率出现了严重的增益压缩。功率放 大器的a m p m 曲线显示，随着功率放大器增益压缩的出现，输出信号的相位也 出现了严重的失真。 7 基于w c d m a 标准的数字直放站d o h e r t y 功率放大器设计 1 0 0 8 0 6 o 4 o 2 o 0 i a m - l o - , e d v i ，d b d b _ 、 、 _ 、 1 k 、 051 0 1 52 0 2 5 3 0 3 54 04 55 0 5 5 r f d o w t r 图2 2 ： 2 1 7 互调失真( i m d ) r f p o w e r 、 ， f f y 01 02 03 04 05 06 0 r f p o w e r a m a m 与a m p m 失真特性曲线 对于工作于弱非线性区的无记忆高功率放大器，传输特性可用无穷项的幂级 数来描述，即 ” v 。( f ) = k l v f ( r ) + 尼2 v j o ) 2 + k 3 v f o ) 3 + ( 2 - 1 2 ) ( f ) 是放大器的输入信号，v o ( t ) 是放大器的输出信号。假定双频输入信号为： 1 ，f ( r ) = ac o s 6 0 1 f + a c o s ( 1 ) 2 t ( 2 - 1 3 ) 则放大器的输出为 1 ，。( 7 ) = 毛( 彳c o s o ) i t + a c o s o ) 2 t ：七2 ( 4 c o s a t + a c o s 0 9 2 t ) 2 ( 2 1 4 ) + k 3 ( a c o s 0 9 i f + c o s ( t ) 2 f ) 3 - i - 将上式展开，功率放大器的输出信号包含了直流、q 、国2 、2 国l 、2 c 0 2 、3 c o l 、 3 缈2 、2 q 彩2 、2 t 0 2 国l 、3 q + 2 0 9 2 、3 c 0 2 + 2 c o l 等丰富的频率成分。这些频率 成分，称之为互调失真( i m d ，i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ) ，这些频率成分经过 滤波后，落在通带内的频率成分除了信号频率国。、国：以外，还有2 。一国：、 2 国2 一c o l 、3 t o l 一2 彩2 、3 功2 2 缈l 等奇阶互调失真分量。功率放大器输出的频谱 如图2 3 所示，奇阶互调分量以相等间隔对称出现在信号频率的旁边，形成旁瓣。 8 d o h e r t y 功率放大器原理介绍 旺w 2 2 霄：一￥妇 ：静厂带： l 3 w t 宵2 如w t l t t 2 1 1 52 1 2 02 1 2 52 1 3 02 1 3 52 1 4 02 1 4 f r e q u e n c y 图2 - 3 ：互调失真 一旦求得互调分量的幅度后，就可以确定功放的互调截断点( i p ，i n t e r c e p t p o i n t ) ，互调截断点是功率放大器另一个非常重要的性能指标，如图2 4 所示。 图2 - 4 ：截断点i p 3 ，l d b 压缩点示意图 其中，三阶互调失真的截断点( 1 p 3 ) ，定义为频率2 缈l 一缈2 ( 或2 国2 一q ) 的输出功率p ( 2 c o l - - ( 0 2 ) ( 或p ( 2 c 0 2 一c 0 1 ) ) 与频率q ( 或频率缈2 ) 的线性输出功 率延长线的交点。当系统的非线性可以用幂级数展开时，截断点是估计三阶 互调失真的一种很方便的方法，截断点( i p 3 ) 与输入功率无关，完全是系统的 非线性造成的，因此是系统非线性的度量。可以根据工程经验公式2 1 5 ，估计功 率放大器伊3 的值3 6 1 ： 1 p 3 = 互拈+ 1 0 6 3 ( d b m ) ( 2 1 5 ) 9 日黾v茁豢讣霄 基于w c d m a 标准的数字直放站d o h e n y 功率放大器设计 2 1 8 邻信道泄漏率( a c l r ) 当功率放大器工作在弱非线性区时，用双频测试来分析功率放大器的非线性 是很有效的。而当功率放大器工作在l d b 增益压缩点附近甚至超过压缩点时， 高阶互调失真( 如i m d 5 和i m d 7 ) 的功率电平明显增加，所以，高阶互调失真分 量也必须予以考虑。此时在设计中用双频测试就不准确了，必须使用其它方法来 分析功率放大器的非线性特性。 当功率放大器工作在强非线性区时，邻信道泄漏率( a c l r ，a d i a c e n tc h a n n e l l e a k a g ep o w e rr a t i o ) 是用来分析功率放大器非线性特性的有力参数。所谓邻信 道泄漏率是指本信道带宽内的输出功率与邻信道带宽内的杂散输出功率之比，表 示为【1 6 】： e 2 2 l p ( 厂) 1 2 d f 么c z r = e + c 2 j i p ( 一c ) i i p 门l d f 尼一c 2 ( 2 1 6 ) 式中，p ( f ) 为信号的功率谱密度，e 为信号的码片速率，兀为邻信道的中心频 率。如图2 5 所示。 s p e c t m mw n hm a x i m u mp o w e r 瀚黼，； r n 1 唧 i = ： 2 ；l p 2 ： f f e q = 213 8 g 7 8 0 利 。节 r t j u = z i q z u n 三 i d b m ( s p e c0 u t ) ：170 1 2 d b m ( s p e co u t ) = 1 j d 沁隗 爷 。鸣 d 一删 。私 “h _ h 3 4 2 k 2 3 82 4 6 。2 。2 1 1 卯。2 5 2 2 恼。2 1 2 42 2 62 12 b2 3 02 3 22 加214 22 “2 图2 5 ：a c l r 的示意图 由于通信技术的飞速发展，多载波数字调制系统得到越来越广泛的应用，而 通信信道也变得越来越拥挤，作为表征信道间相互干扰情况的邻信道泄漏率 ( a c l r ) ，逐渐成为衡量功率放大器设计的重要性能指标之一。 1 0 宦p)e量譬口 d o h e r t y 功率放大器原理介绍 2 2 功率放大器分类 功率放大器一般可分为传统功率放大器和开关模式功率放大器。传统功率放 大器是针对线性而言，包括a 类，a b 类，b 类，c 类放大器；开关模式功率放 大器是针对恒包络而言，包括d 类、e 类、f 类和s 类。根据已有的理论基础， 下面就传统功率放大器和开关模式功率放大器的性能以图表2 1 的方式进行总 结。 表2 - 1 ：功率放大器的分类 传统功率放大器 开关模式功率放大器 类型 aa bbcde f m o s 管工作模 电流源电流源电流源电流源开关开关 开关 式 1 8 0 m o s 管导通角3 6 0 。 1 8 0 0 1 8 0 。1 8 0 1 8 0 1 8 0 。 3 6 0 输出功率中中中小大大 大 5 0 7 8 5 理论效率5 0 7 8 5 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 7 8 5 1 0 0 3 5 典型效率3 5 6 0 7 0 7 5 8 0 7 5 6 0 增益高中中低低低低 线性度极好好好 差差差差 a 类放大器是线性放大器，它对输入正弦波的输出响应也是正弦波，一般失 真不大，而且输出频率与输入频率相同，导通角为2 n ，理论上的最大效率是5 0 。 b 类放大器的输出是输入的半个正弦波，形成半波失真，导通角为万，从而产生 很多谐波，理论上的最大效率是7 8 5 。c 类放大器在输入信号的大半周期内处 于截止状态，导通角则小于y ，它通常用输出级的谐振电路来恢复基频信号，半 波失真更大，谐波也就更丰富，效率接近1 0 0 ，但是只能用于恒定的包络调制。 d 类、e 类和f 类功放则是开关型功率放大器，这类功放是近几年最新发展起来 的功放技术，把m o s 管用做开关，以便泵浦高度谐振的共振电路，并可达到很 高的效率。因为需要低的干扰产物，工作在u h f 或更高频率的大多数通信发射 机采用a 类、a b 类或者b 类功率放大器【3 5 】。如图2 - 6 所示。 基于w c d m a 标准的数字直放站d o h e 啊功率放大器设计 2 2 1a 类功率放大器 图2 - 6 ：功率放大器的工作状态 偏置在a 类的功率放大器，放大器工作在线性区域，导通角为3 6 0 。，可以 真实的再现信号的波形，因此被广泛应用于要求不失真输出的射频放大器设计 中。a 类放大器是以牺牲效率为代价来提供高的线性度，即使没有任何输入信号， 也会存在偏置电流，造成直流功率损耗。因此，理想a 类功率放大器漏极效率 仅为5 0 。 2 2 2b 类功率放大器 对于偏置在b 类的功率放大器，放大器仅在每半个周期内工作，导通角为 1 8 0 。当没有信号输入时，功放无直流功率损耗，从而提高了效率。b 类功率放 大器只能输出半波形信号，使得信号产生了严重的失真，实际中的b 类放大器 常采用两个m o s 管的推挽结构。因此，理想b 类放大器最大漏极效率可以达到 7 8 5 。 2 2 3a b 类功率放大器 为了弥补b 类放大器对于输出信号的严重失真，采取了一种折中的设计想 1 2 d o h e r t y 功率放大器原理介绍 法，即a b 类功率放大器，它的导通角介于1 8 0 。与3 6 0 。之间，效率和线性度也介 于a 类放大器和b 类放大器之间。其失真度优于b 类，效率又明显高于a 类放 大器。被广泛应用在功率放大器设计中，理想a b 类功率放大器的漏极效率介于 5 0 , - - - , 7 8 5 之间。 2 2 4d o h e r t y 功率放大器 d o h e r t y 放大器最早由w h d o h e r t y 于1 9 3 6 年提出。最初的d o h e r t y 放大 器由两个真空管和阻抗变换网络组成，如图2 7 所示。d o h e r t y 功率放大器是由 一个a b 类放大器和一个c 类放大器组成，通过动态负载牵引技术，调节a b 类 功率放大器的工作方式，使功率放大器具有b 类放大器的工作效率，以及a b 类 放大器的线性度【1 1 。 图2 7 ：1 9 3 6 由w h d o h e r t y 提出的真空管功率放大器模型 2 3d o h e r t y 功率放大器的原理 d o h e r t y 放大器的原理框图如图2 8 所示，包括主功率放大器( 载波放大器， c a r r i e r - a m p l i f i e r ) 和辅助放大器( 峰值放大器，p e a k a m p l i f i e r ) 。两个放大器并 行连接，主功率放大器后面串联一段2 4 微带线起到阻抗变换作用，辅助放大器 前面串联一段2 1 4 微带线起到相位平衡作用。 基于w c d m a 标准的数字直放站d o h e r t y 功率放大器设计 m i c r o s t r i p l i n e 2 a m p l i f i e r z 2 5 0 0o h m p e a k a m p l i f e r e = 9 0 图2 - 8 ：d o h e r t y 功率放大器原理框图 2 3 1 有源负载牵引技术 t e n l l l o a d z = 5 0 0 h m 有源负载牵引技术( a c t i v el o a dp u l lt e c h n i q u e ) 是向一个相位相关的源提供 电流从而改变射频负载的阻抗和导纳。 1 1 - - - - 1 2 卜一 图2 9 ：有源负载牵引技术 如上图2 - 9 所示，对源1 来说，当源2 无电流注入负载时，源1 的负载阻抗 为r ，而当源2 有电流注入负载时，源1 的负载阻抗将发生变化，即【2 1 ： 圪谢= r x ( 6 + 厶) ( 2 1 7 ) 即源1 的负载阻抗此时变为r 。： 蜀= 字= 鼍半础川+ 争 沼 1 4 d o h e r t y 功率放大器原理介绍 对于高频信号来说，电流电压可表示为相位幅度的形式，负载阻抗z l 将随 着鲁的变化而变化。当等同相位时，负载阻抗z l 将随之变大；反之，当鲁的 相位相反时，z l 将变小。 2 3 2d o h e r t y 放大器的工作原理 根据上面提到的有源负载牵引技术，对于功率放大器，可以把功率放大器看 作两个等效的电流源，其中l 表示流过载波( 主) 放大器的电流，表示流过 峰值( 从) 放大器的电流，如图2 1 0 所示。 配 图2 1 0 ：d o h e r t y 功率放大器原理 根据功率放大器的输入功率水平，推导出两个放大器的负载阻抗如下【2 】： 乏= z l 1 + 专】，z p = z l 1 + 等】( 2 - 1 9 ) 根据五4 波长传输线理论可知，z r l = 、历乏，则d o h e r t y 放大器的负载阻抗： z c = 了- t l ， ( 峰值( 从) 放大器未开始工作时) 厶l z 2 ( )_22 0 二竺一，( 峰值( 从) 放大器开始工作时) 乙( 1 - i - 竽) f 0 0 ，( 峰值( 从) 放大器未开始工作时) z e 1 乙( 1 + 争) ， ( 峰值( 从) 放大器开始工作时) ( 2 。2 1 ) i _ fp 设加载在载波( 主) 放大器上的电压为吃，峰值( 从) 放大器上的电压为咋， 基于w c d m a 标准的数字直放站d o h e r t y 功率放大器设计 则有： = 对于旯4 波长线来说，两端的功率相等，即有：圪如= 巧t 。 根据参量矩阵表达式为： 故 将t 带入式2 1 9 中有： 把乏带入式2 2 0 中得： 阡垃o 蚴j l - g t ? ：鲢 l z c = z t ( + 铬 弘舞 乙( 1 + ) ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 一弘k 舞 协2 7 ) 用门表示功率回退的程度，o 刀 4 5 ) 3 2 仿真平台介绍 a d s ( e d a 软件全称为a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 是美国a g i l e n t 公司开发 的用于电子自动化设计的软件；a d s 功能十分强大，包含时域电路仿真 ( s p i c e - l i k es i m u l a t i o n ) 、频域电路仿真( h a r m o n i cb a l a n c e 、l i n e a ra n a l y s i s ) 、三 维电磁仿真( e ms i m u l a t i o n ) 、通信系统仿真( c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n ) 和数字信号处理仿真设计( d s p ) ；支持射频和系统设计工程师开发所有类型的 r f 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 m m i c ，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。 2 0 d o h e r t y 功率放大器设计 3 3d o h e r t y 功率放大器仿真设计 3 3 1 直流分析 所谓直流分析，就是研究m o s 管的栅极偏置电压与漏极电流对于m o s 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m o s 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m o s 管的工作状态【2 l 】。 根据飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 公司提供的l d m o s 晶体管模型库，在a d s 软 件中构建m o s 管m r f 6 s 2 1 1 4 0 模型，并测试m o s 管的直流特性曲线。如图3 1 所示的电路模型，其中vd c 表示直流电源，1p r o b e 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 ( 0 5 v ) 下，扫描漏极偏置电压( 0 - - 5 6 v ) 对应的漏极电流k ，获得一