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硕士论文基于氮化镓的s 波段d o h e r t y 功率放大器的研究 摘要 f 煳磐必 在现代无线通信系统应用中，为了获得更高的数据传输速率，信号包含多路相位 和幅度多变的副载波，导致信号峰均比( 础淑) 很高。为了满足系统对线性度很高的 要求，功放必须能够产生峰值功率和按信号线性分布的所有功率级。所以，功放大部 分工作在平均功率级，很高的功率回退，势必造成平均效率相对偏小。 到目前为止，由于实现相对简单且效率改善有明显的优势，d o h e r t y 技术得到了 广泛的研究。为了在实际应用中尽可能得到优异的性能，很多研究者提出很多改进结 构，并证实有很好的性能改善。基于成熟的半导体工艺，采用l d m o s 器件的功率放 大器已经广泛被应用。 本文是基于新一代半导体器件( g a nh e m t ) ，结合改进型的d o h e r t y 结构，设 计一款峰值输出功率达4 4 d b m ，效率大于5 0 的s 波段功率放大器。在线性度方面， 单音回退6 d b 的i m d 3 为2 5 d b c 。结合了国内外对于d o h e r t y 结构的研究，针对传统 两路d o h e r t y 结构实际应用中存在的弊端，总结出一系列解决方案。文中利用射频仿 真软件a d s 和c r e e 的g a nh e m t 大信号模型设计出单管的模板，并对输出网络、 延迟线、驱动功率分配及偏压的优化，提高两路d o h e r t y 功放的性能。 根据论文要求，本文对三路d o h e r t y 结构功放进行了仿真设计。该结构是一种区 别于传统结构且易于实现的三路d o h e r t y 。 关键词：g a nh e m t ，d o h e r t y ，a d s ，效率，线性度，功率回退 a b s t i - d c t硕士论文 a b s t r a c t i nm o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma p p l i c a t i o n s ，i no r d e rt oo b t a i nh i g h e rd a t a t r a n s f e rr a t e ，s i g n a l sh a v e l a r g ep e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o s ( p a p r s ) ，a s c o n t a i n s m u l t i c h a n n e ls u b c m t i e r s 、航t l lv a r i a b l ep h a s ea n da m p l i t u d e t os a t i s f yt h el i n e a r i t y r e q u i r e m e n t sf o rt h es y s t e m s ，p o w e ra m p l i f i e r ss h o u l dh a v eac a p a b i l i t yo fg e n e r a t i n gt h e p e a kp o w e ra n ds h o u l db ea b l et ol i n e a r l yg e n e r a t ea l lp o w e rl e v e l sf o l l o w i n gt h es i g n a l d i s t r i b u t i o n t h e r e f o r e ，p a so p e r a t em o s t l ya tt h ea v e r a g ep o w e rl e v e l ；b a c k - o f ff r o mt h e p e a l 【p o w e rb yp a p r t h ee f f i c i e n c ya t t h eo p e r a t i o np o i n ti sl o w , l e a d i n gt oal o w e f f i c i e n c y s of a r , d o h e r t yt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ys t u d i e d ，b e c a u s eo fr e l a t i v e l ys i m p l e r e a l i z a t i o na n do b v i o u sa d v a n t a g e so fe f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t i no r d e rt og e tt h e o u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，m a n yr e s e a r c h e r sp u tf o r w a r dm a n y a d v a n c e ds t r u c t u r e ，a n da l lh a v ev e r yw e l lp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t b a s e do nm a t u r e s e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , p a su s i n gl d m o sd e v i c e sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e d t h i sp a p e rf o c u so nt h ed e s i g no fa nsb a n dp a ，w h i c hi sb a s e do nan e wg e n e r a t i o n o fs e m i c o n d u c t o r ( g a nh e m t ) ，a n dc o m b i n e dw i t ha d v a n c e dd o h e r t ys t r u c t u r e t h ep a d e l i v e r sap e a l 【o u t p u tp o w e ro f4 4 d b m ，a n di t sp e a l 【e f f i c i e n c yi sm o r gt h a n5 0 a n d i m d 3o fo n e - t o n et e s ta t6d bo b oi s - 2 5 d b c c o m b i n i n g 、析t l lt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n r e s e a r c h e so fd o h e r t ys t r u c t u r e ，is u m m e du pas e r i e so fs o l u t i o n st od r a w b a c k so f c o n v e n t i o n a lt w o - w a yd o h e r t yi np r a c t i c a la p p l i c a t i o n u s i n gr fs i m u l a t i o ns o f t w a r ea d s a n de x p e r i e n c e dp o w e ra m p l i f i e rm o d e lg i v e nb yc r e e ，f i r s t l yid e s i g n e dt h em a t c h i n g c i r c u i t , a n do p t i m i z e dt h eo u t p u tn e t w o r k , d e l a yl i n e ，d r i v ep o w e rd i v i d er a t i oa n db i a s v o l t a g et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h et w o - w a yd o h e r t yp a a c c o r d i n gt ot h ep a p e r sr e q u i r e m e n t s ，t h r e e w a yd o h e r t yp a h a sb e e nd e s i g n e d t h i s s t r u c t u r ei sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a ls t r u c t u r ea n de a s yt oi m p l e m e n t k e yw o r d ：g a nh e m t , d o h e r t y , a d s ，e f f i c i e n c y , l i n e a r i t y , p o w e rb a c k e o f f 硕士论文基于氮化镓的s 波段d o h e r t y 功率放大器的研究 1 绪论 功率放大器是射频子系统中得关键组件，也是无线通信系统中的核心部件，其重 要性主要体现在一下三个方面： 功率放大器位于无线移动通信发射机的末端，其线性度决定着基站或直放站 系统中相邻信道信号之间的相互干扰程度，直接影响无线基站的性能和通信 质量。 功率放大器在无线通信系统中功耗最大，其效率直接影响整机的散热，从而 关系到运营商的运营成本。 功率放大器是无线移动通信系统中造价最高的组件之一，包括功率放大器在 内的及相关的射频器件占到基站硬件成本的4 0 以上。 在当今的无线通信标准中，恒包络调制的通信方式逐渐被包络变换的调制方式所 替代，w c d m a 、l t e ( l o n gt e r me v a l u a t i o n ) 、w i m a x 等采用o f d m 调制方式的无 线通信标准，越来越占据着重要的位置。包络变换的调制方式中传输的信号具有高峰 均比，而且所占带宽也越来越大，这对功率放大器提出了新的要求。 为了满足线性度的要求，功率放大器往往采用一定的功率回退的方法来达到线性 度的提升，而随着功率的回退，放大器的效率也会大大的降低。因此，为了降低通信 系统的功耗，在保证功率放大器达到所需的线性度要求下提升其效率就成为了功放研 究的一个重要方向。 越来越多的研究集中到如何提高工作于高峰均比信号下的功率放大器的效率。如 今成熟的技术有d o h e r t y 技术、包络跟踪技术、包络消除和恢复技术等。与其他技 术相比，d o h e r t y 技术因电路相对容易实现且效率提升明显，得到了广泛的运用。 g a n 作为宽禁带材料，优点是拥有高的电子击穿率和高的电子迁移率。当其生长 在s i c 衬底上的时候，其热传导率也很高。和l d m o s 、g a a s 相比，能够工作在更高 的漏极电压范围内。较高的漏极电压可以提高功率管的阻抗，容易进行阻抗的匹配。 另一个优点是其对终端开路或者短路时的承受能力强，避免负载失配的时候，烧毁管 子。这对于不能在终端接环形器的系统中，是一个可行的方案。 g a n 的缺点是价格昂贵。g a nh e m t 的主要部分是加工在s i c 衬底上的，不仅价 格昂贵，而且受到体积的限制。和l d m o s 相比，除了裸片更小外，它所需要的制作时 间是l d m o s 的五倍以上。有一种替代的方法是，将g a nh e m t 生长在s i 的衬底上， 但由于s i 衬底的热导性没有s i c 的好，于是就限制了功率管的功率密度的提升。 g a nh e m t 在饱和功率点有更高的效率。由于晶体管的漏极和源极之间有电容 c d s ，源极有电阻r s ，在射频电路中，射频信号会通过c d s 和r s 泄漏到地。尤其是 l 1 绪论 硕士论文 工作在2 5g h z 及以上的频率。c d s 的减少可以提高晶体管的效率。在饱和功率点的 高效率，有利于d o h e r t y 放大器效率的进一步提高。 根据国内外的研究现状，可以发现基于d o h e r t y 技术的功率放大器现已成为研 究热点，在市场上也有成熟的产品推出，采用g a n 管子或工艺的d o h e r t y 功放还处 于实验阶段，与其相关的研究报告越来越多。c r e e 、n i t r o n e x 、r f m d 及n x p 等都已 有成熟的产品。g a nh e m t 管有比l d m o s 管更高的击穿电压和电子饱和速度，更高的 输出功率、工作频率和效率，还有更好的线性度和更宽的频带特性，这些对于用在现 代无线通信系统上的功放来说，都是极其重要的。 1 1 国内外研究现状 美国b e l l 实验室的d o h e r t y 最先提出来d o h e r t y 功率放大器的概念的 1 。其详 细的工作原理，f r e d e r i c k 在1 9 8 7 年的文献 2 中已经给出了推导。目前的研究方向 主要集中在以下几个方面： ( 1 )对称结构的d o h e r t y 放大器 对称结构的d o h e r t y 放大器理论上能够保证在功率回退6 d b 仍然保持和饱和功 率一样的效率，在实际应用中也有很好的表现。 2 0 0 6 年，k y o u n g - j o o nc h o 用g a nh e m t 管设计了一个4 0 w 的d o h e r t y 功放， 其工作在1 8 g h z - 2 5 g h zw c d m a 频段内的功率增益超过l l d b ，在4 0 w 的峰值功率输 出下p a e 达到了6 5 ，采用数字预失真后，a c l r 在2 5 m h z 的偏频下达至u - 5 4 d b c 。 h i r o a k is a n o ，n o r i h i k ou i ，s e i g os a n o 在2 0 0 7 年的c s i c 上发表的文章说明一 款基于1 0 wg a nh e m t 的2 5 g h z 的d o h e r t y 功放。结合d p d ( d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ) 技术，在4 6 d b m 的平均功率处获得4 8 的漏极效率和1 3 4 d b 的增益，a c l r 达到一5 3 d b c 。 ( 2 ) 非对称结构的d o h e r t y 放大器 非对称结构d o h e r t y 放大器的核心是主放大器和辅助放大器的驱动功率的不 同。辅助放大器的驱动功率更大，这样可以保证两个放大器在高功率工作时可以完全 的牵引到最佳的功率匹配点。 2 0 0 5 年j k i m ，j c h a ，i k i m 和b k i m 研制了一款非等分输入功率驱动的d o h e r t y 功放。相对于主放，辅放被注入更多的驱动功率。功放管采用了飞思卡尔公司的l d m o s 管m r f 2 8 1 s r l ，峰值功率为4 w 。该d o h e r t y 功放在2 1 4 g h zw c d m a 信号下测得的平均 输出为3 3 d b m ，漏极效率为4 0 ，a c l r 为一3 5 d b c 。但是因为其采用在主放输入端加衰 减器的方式实现不等分驱动，影响到了d p a 整体的增益。嘲 a z m a r k o s ，p c o l a n t o n i o ，f g i a n n i n i ，r g i o f r 色，m i m b i m b o ，g k o m p a 在2 0 0 7 年研制了一款工作频率2 1 g h z ，输出功率6 w 的g a nd o h e r t y 功放。采用不等分的 威尔金森功分器实现主放和辅放的不等驱动。峰值功率输出时p a e 为6 0 9 6 ( 漏极效率 2 硕士论文基于氮化镓的s 波段d o h e r t y 功率放大器的研究 为7 6 ) ，6 d b 回退点p a e 为5 2 ( 漏极效率为6 2 ) ，l o d b 回退时p a e 为4 2 ( 漏极效 率为4 5 ) 。啪 s u n g c h a nj u n g ，y a ox i ，h y u n c h u lp a r k ，s u n g w o o kk w o n ，j u h ov a n ，k y u n g h o o n l i m ，m i n - s uk i m ，h a n j i nc h o ，j o n g h y u kj e o n g ，a n dy o u n g o oy a n g 在2 0 0 8 年成功研 制一款应用在w c d m a 制式的d o h e r t y 功放，采用分支线功分器实现不等分功率驱动， 且峰值放大器的偏置对应功率分配的比例得到适当的调整。在辅放与主放输入有2 d b 的差别时，p a e 达到最大3 3 6 8 ，输出功率为3 3 9 5 d b m ( 4 载波w c d m a 、a c l r 为- 3 0 d b c ) 。 【5 】 y o n g - s u bl e e ，m u n - w o ol e e ，和y o o n h aj e o n g 在2 0 0 8 年研制成一款应用在w c d m a 的两级不对称结构的d o h e r t y 功放( a d p a ) 。第一级d p a 作为预失真器改善了功放的 线性度且减小了驱动级的功率耗散。驱动级采用的是r f h i c 公司的2 w 级g a nh e m t r t 2 3 3 。第二级采用2 0 w 级的g a nh e m tr t 4 4 0 ，主放与辅放的饱和输出分别为4 0 3 d b m 和4 3 2 d b m 。末级a d p a 在平均输出功率为3 5 d b m 时，p a e 达3 5 7 ，较一般d p a 提升 了l o 5 。当驱动级d p a 经偏置优化后，输出功率3 5 d b m 时，在2 5 m h z 的a c l r 为 一4 0 9 d b c 。【6 】 a z m a r k o s ，k b a t h i c h ，f g s l d e n ，和g b o e c k 在2 0 1 0 年第4 0 届欧洲微波会议 上发表的报告，说明研制成功一款高效d p a 。采用不等分功率驱动与非对称器件所结 合的方式，采用的器件为c r e e 公司的g a n h e m t2 5 w ( c g h 4 0 0 2 5 f ) 和3 5 w ( c g h 4 0 0 3 5 f ) 。 在2 5 g h z 峰值功率时获得漏极效率为5 4 ( p a e 为4 8 ) ，6 d b 回退的漏极效率为5 2 ( p a e 为4 7 ) ，可见整个d o h e r t y 域里的效率保持在一个很高且相对恒定的值。为了 获得功率回退点较高的效率，就必须使其尽量趋于饱和，在仿真优化时将连接主放输 出的x 4 传输线的特性阻抗由5 0q 修改成5 7q 。唧 刘正，熊祥正在2 0 1 0 年微计算机信息发表的文章，提出采用不均分输入功 率的d o h e r t y 功放，仿真结果分析表明在p l d b ( 4 9 4 d b m ) 时，效率( p a e ) 为6 9 4 ， 输出功率回退6 d b 时，p a e 为5 2 ；结合前馈线性化后，输出功率为4 6 d b m ( 单音) 时，i m d 3 改善约4 5 d b 。哺1 j o r g em o r e n or u b i o ，j i ef a n g 等人在2 0 11 年i e e e 发表的文章中报道研制一款 应用于w i m a x 的d p a ，采用的功率器件是c r e e 公司的g a nh e m tc g h 4 0 0 1 0 。为了进一 步提高d o h e r t y 功放的效率，该设计采用了不等分功率驱动和谐波抑制网络。d p a 饱 和输出的漏极效率达到6 5 ，6 d b 回退的功率域内效率不低于5 5 。嘲 p a o l oc o l a n t o n i o ，f r a n c og i a n a i n i ，r o c c og i o f r 6 和l u c ap i a z z o n 在2 0 0 9 年报道研制一款基于g a nh e m t 的小型化d o h e r t y 功放。采取的方法是为主放和辅放 实现独特的输出匹配电路，将原本各支路的谐波抑制网络合二为一，而且不影响d p a 的性能。实现的d p a 在w c d m a 信号8 p s k 2 1 4 g h z 条件下测得d o h e r t y 域内较恒定的 3 l 绪论 硕士论文 a c p r 值在- 3 0 - 2 8 d b c ，平均效率在5 2 6 2 之间。n j u n g h w a nm o o n ，j a n g h e o nk i m ，j u n g j o o nk i m ，il d uk i m ，b u m m a nk i m 于2 0 1 1 年发表的文章中给出了应用在w i m a x 的d o h e r t y 功放的理论分析、仿真以及实现模块 的测试结果。本文集中考虑为了考虑膝压在功放实现的影响，通过对主放负载阻抗调 制( 最终确定主放的负载阻抗为1 2 0q ) ，保证主放在功率回退点达到饱和，提升该 点的效率。为了成功调制主放的负载阻抗，采用不等分功率驱动，过驱动辅放使其产 生更多的电流来牵引主放的负载。文中采用c r e e 公司的g a nh e m tc g h 4 0 0 4 5 ，在功 率回退为7 5 d b ，平均功率达4 2 d b m ，平均效率为4 9 3 。n 钉 ( 3 )n 路d o h e r t y 放大器 n 路d o h e r t y 放大器的原理是采用一个主放大器、n 1 个辅助放大器的结构。n 路d o h e r t y 放大器和对称型d o h e r t y 放大器相比，在回退功率与峰值功率之间的效 率要高的多。 m a r c oj p e l k ，w c e d m u n dn e o ，j o h nr g a j a d h a r s i n g ，r a y m o n ds p e n g e l l y ， l e oc n d ev r e e d e 在2 0 0 8 年文章中说明利用c r e e 公司的1 5 w 和4 5 w 的g a nh e m t 按 功率级l ：3 ：3 的比例设计了一款3 路的d o h e r t y 功放，并使用了混合信号建立各功放 单元的最优控制电路，避免了经典d o h e r t y 固有的设计和线性度的限制。连续波下测 得峰值功率5 0 d b m 处的效率为6 8 ，输出为4 5 d b m ( 第一回退点) 的效率为7 0 4 ， 输出为3 8 d b m ( 第二回退点) 的效率达6 4 ，而且增益保持在l o d b 之上。嘲 j u n g h w a nm o o n ，j a n g h e o nk i m ，i l d uk i m ，j u n g j o o nk i m ，b u m m a nk i m 在2 0 0 8 年研制成功的3 路s - d p a 在2 1 4 g h z 使用e u d y n ae g n o i o m kg a nh e m t ，测得回退l o d b 的效率为5 0 。 i l d uk i m ，j u n g h w a nm o o n ，s e u n g h o o nj e e ，b u m m a nk i m 在2 0 1 0 年的文章提出 利用包络跟踪技术实时控制峰值放大器的栅压的三路d o h e r t y 功放。测得实现的功 放，8 d b 回退功率4 2 5 4 d b m 的效率为5 5 4 。m 1 ( 4 )将开关功放的概念运用到d o h e r t y 放大器中 由于第三代半导体工艺g a n 在功率器件中的巨大优势，开关功放的研究已经成为 了热点。将开关功放谐波控制的概念引入到d o h e r t y 结构中，可以提高单管在饱和 功率点的效率的同时，进一步提高d o h e r t y 功率放大器的效率。 ( 5 ) d o h e r t y 放大器和数字控制电路的结合 传统的d o h e r t y 结构功率放大器，由于辅助放大器的偏置点处于c 类，无法提 供最大的输出功率，使得主放负载阻抗不能被完全的调制。引入了栅压控制电路，来 解决这个问题。 另外一种放大器是用数字电路控制输入功率的大小。在低功率工作下，辅助放大 4 硕士论文 基于氮化镓的s 波段d o h e r t y 功率放大器的研究 器未打开，主放大器承受了大部分的输入功率。在大功率工作下，辅助放大器的输入 功率增大，以弥补此时处于饱和状态时的主放大器的功率输出能力。 包络跟踪和数字预失真在d o h e r t y 放大器中的运用也是研究的热点。包络跟踪可 以进一步的提高效率，而数字预失真是通过在功放的输出端耦合出的信号和功放输入 端的信号进行对比，从而得到功率放大器的相位和幅度的失真信息，在基带信号中加 以矫正，从而解决d o h e r t y 放大器产生的非线性失真的问题。在商用的d o h e r t y 放 大器中，数字预失真的线性化方案得到了广泛的应用。 1 2 功率放大器的主要技术指标 衡量功率放大器的性能，通常有如下主要的指标： 工作带宽：满足放大器所有工作指标要求的频率范围。 增益：在输入输出匹配良好条件下，衡量放大器放大信号的能力，即输出功 率与输入功率的差值，一般以d b 形式表示。 g 2 p 雠( d b m ) 一圪( d b m ) ( 1 1 ) 增益平坦度：表示放大器在工作频带范围内的变化量。 频带内最大增益和最小增益的差值的一半来表示，单位为d b 。 g - 鱼墅垒些d b 2 函i i 在数值上，是用工作 图1 1 增益平坦度 效率：衡量放大器将直流电转化为输出信号的能力。有三种表示方式： 漏极效率，是输出功率与直流功率的比值： n = 等 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 ) - p a e = 三2 照二三照 p d c p 6 性州l2 p d p c o u p t 速 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) s 1 绪论硕士论文 p i d b ：当输入为小信号时，放大器的增益可以看成是线性的，然而，随着输 入信号逐渐增大，放大器的增益会压缩，最终结果会达到输出饱和。定义放大器在增 益比线性增益小i d b 时的输出功率为p i d b 。用来衡量放大器的功率容量，如图1 2 所示。 g 勺 羽 碧肇 静 奄 功率输入( d b m ) 图i 2 三阶截断点及i d b 压缩点示意图 交调失真：定义在工作频带内，两个或两个以上的单音信号经过放大后，由 于放大器的非线性特性而输出混合频率分量的现象，称之为交调失真，表示放大器的 线性度。双音交调失真频谱如下图所示： lj- + 2 骑手谓 3 阶互调 誓32 酪豆碉 t“”f _ 1一毒一媾鞲。弋 图1 3 双音交调失真频谱 三阶产物在非线性信号所占比重较大，且离所需信号最近，一般在测试窄带信号 信号的线性度时，即认为是三阶交调。 临近信道功率泄漏比a c l r ( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o ) ：当输入为宽 带信号时，为了较准确地衡量放大器的非线性度，通常采用a c l r 指标来表示。定义 为泄漏到邻近信道上的总功率与主信道上的功率的对数比值。 6 q 苫 饕 们 f r e q u e n c y ( m h z ) 图1 4 邻近信道功率泄漏示意图 硕士论文 基于氮化镓的s 波段d o h e r t y 功率放大器的研究 1 3 论文主要工作及章节安排 本文是基于g a nh e m t ，设计一款s 波段d o h e r t y 功率放大器，性能指标为： 频率：2 2 g h z 带宽：l o 洲z 增益：1 4 d b - 效率：5 0 i m d 3 ：- 2 5 d b c ( 单音回退6 d b ) p o u t ：4 4 d b m ( 峰值功率) 一两阶做出实物，多阶进行仿真设计 本论文的章节：第一章为绪论部分；第二章是d o h e r t y 功率放大器的原理阐述； 第三章为结合a d s 软件对两路d o h e r t y 仿真及优化设计；第四章是对多阶d o h e r t y 的简单介绍和一种三路结构的仿真；第五章是对本课题仿真设计的总结。 7 2d o h e r t y 功率放大器原理 硕士论文 2d o h e r t y 功率放大器原理 d o h e r t y 放大器包括两个部分，一个载波放大器c ( c a r r i e r ) ，一个峰值辅助放 大器p ( p e a k ) 。主要理论是基于利用辅助放大器对另一有源器件( 载波放大器) 的 负载调制。载波放大器可以工作在接近饱和的状态，从而获得较高效率，大部分信号 通过该放大器放大；峰值辅助放大器只在峰值到来的时候才工作，大部分时间不消耗 功率。它们的合成输入输出特性的线性区比单个放大器的线性区有较大扩展，从而在 保证信号落在线性区的前提下获得较高的效率。 在低输入功率域，只有主放大器是开启的，而辅助放大器是处于截止状态。当输 入功率增加且主放大器达到饱和状态，此时辅助放大器开启，开始调调制从主放大器 看到的负载阻抗。为了优化两器件的性能，必须在两器件之间加入特定的网络，能够 将一组终端的电压转化成另一终端上恒定的电流，而无需考虑终端的阻抗。该网络必 须接在主放大器的输出端，可以用入4 传输线实现。因为在d p a 输出端合成两器件 的输出信号，为了补偿相位差，于是在辅助放大器前面加入一段入4 传输线。 在第一次d p a 实现中，主放大器和辅助放大器都是偏置在b 类工作点。但是，b b 类结构有着严重的问题，就是要在低功率域保持辅助放大器处于截止状态。这就意味 着需要增加控制辅助放大器开关状态的电路，同时增加d p a 的复杂度。为了避免该问 题，于是选择了合适的c 类偏置。这样，输入功分器的尺寸变得一个需要设计的关键 点。 最终，因为偏置靠近截止区而有源器件产生很大的失真，所以b 类偏置对于主放 大器也显得不是最合适的。为了避免后续的缺点，主放大器首选a b 类偏置，结果是 较b 类略微减小的效率，但改善了整体的线性度。 如果忽视功分器的尺寸问题，辅助放大器的偏置就是后续设计过程中需要优化的 参数。 2 1a b c 类d p a 行为分析 8 d p a 的工作分析可参考下面的工作状态( 如图2 3 ) 来执行： 1 低功率区域 只有主器件在工作，辅器件关闭。一直到转折点条件( 辅器件开启条件) 处 终止。 2 中功率区域 两器件都开启，转折点到d p a 饱和之间，称作d o h e r t y 区域。 硕士论文 基于氮化镓的s i t 段d o h e r t y 功率放大器的研究 l o wp o w e r h e d i u mp o w e r r e g i o n o rd o h e r w r e g i o n 图2 3d p a 漏极理论效率性能 一个d p a 的分析，如一种可能的设计方法，首先根据两个有源器件所对应的偏置 条件，分析注入的电流波形。再详细点，将有源器件比作一个简化电流源，具有恒定 导纳g i ，输出波形为截顶的正弦波。这类一般的输出电流波形可通过输入驱动信号的 函数生成，利用变量x ( o x 1 ) 描述电流变化，从d c ( x = 0 ) 到最大值i k ( x = 1 ) 。 生成的电流表达式为： i ：l i m m 雾如s ( e ) 一5 ( 孚) l 0 茸一詈5e ( 2 6 ) 其它 其中，e 。是x = l 时，最大值i k 对应的电流导角值，这明显关系到所选偏置点i 虻。 类似的，对于表示输入信号的x ，相关的c c a 值o 。可以从下面的关系推导出： 9 ，：2 - a r c c 。s 隧蚓 ( 2 7 ) l z | 其中当然x l c o s ( em z ) l 才有效，另外c c a 值o 。对于主器件为2 丌，对于辅器件为 0 。该公式必须调整以适应主器件或辅器件。为了这个目的，在接下来的表达式内a b 和c 分别被使用表示主放和辅放。 主放和辅放的最终输出电流波形分别在图2 4 a 和图2 4 b 中给出。 对于主放，一般a b 类偏置条件可以由所选偏置点( i d c , m 越口) 和最大漏极电流 ( 1 m 积册l i i n ) 之间的比值所表示： 结果c c ao 被调整为0 艋： e2 i d c , m a d m( 2 8 ) l m 懿m m i m e a b = 2 r 一2 a f c o s ( 匀 其中2 兀被算入反余弦函数。 ( 2 9 ) 9 2d o h e r t y 功率放大器原理 硕士论文 二 _ - 红五 2 2 图2 4a 、b 分别表不主辅放大器漏极电沉 相似的，对于辅放，l d c a 般可定义为虚拟偏置点，用图示化表示对应于控制主 放开启的偏执条件( f e t s 的栅压) 。实际上，每个器件开启于不同的偏置点，可达到 不同的最大漏极电流( 分别为l m 戤嬲i i n 和l m 骶翩x ) 。在这种情况下，假设辅放最大电 流l m 懿a 蜗，对应c c a ec ，负的虚拟偏置电流可以由公式( 2 6 ) ，e = 北2 推导出， 结果为： c o 。仁娶 k 触。一韵麟舢 q 1 0 让我们定义x = 撸i k 为主放达到饱和且辅放同时打开，然后开始负载调制作用的情 况。所以当电流达到l m “触时，可以将辅放的c c a e c 联系到x b ，蚰k 。实际上，从式 ( 2 7 ) 开始，当x = x b 托i i c 时设定e 埘= o ，结果在d o h e r t y 区域的末尾最终辅放 c c a ( e 。) 为： 0c = 2 - a r c c o s ( x b 融) ( 2 1 1 ) 所以，一旦l m “如x 和x b h i l 确定，辅放虚拟偏置点1 d c a 瞄可通过下面的关系获得： d c 鼬2 一羔i m 晖a 眠 ( 2 1 2 ) 1 z 簿娃一一i ：= 二二= i m 晖a 眠 l 口r 鲁t 置 2 1 1 低功率域的分析( 0 x x b 础) 在开始，只有主放工作，d p a 表现如典型的a b 类放大器。对应的分析的结构变 加 硕士论文基于氮化镓的s 波段d o h e r t y 功率放大器的研究 成如图2 5 表示，其中主放被等效电流源取代。d p a 外部负载飚和四分之一波长传输 线特征阻抗z 。被选定以保证主放得到最大漏极电压，当漏极电流达到预定值i 抓。 图2 5 转折点之前分析的d o h e r t y 结构 由于简化，假设一个调谐负载情况，最大电压摆幅v & 咖= v b k ，c v o d 和v k 分别为漏极电压和膝压，假定两器件相同) ，低功率域结尾处( x = x b ，e 矗) 的最终负 载曲线变成图2 6 中所示。在这些假设下，保证了主放令人满意的最大漏极效率的情 况。 ： 维弋 ：v l 、k： ： 隅 图2 6 转折点处主放负载曲线 通过利用四分之一波长本质上的关系，直到转折点条件由主放看到的阻抗被给 出： r m l l i n = 等= 蔷x 【o ，x b 舱i k 】 ( 2 1 3 ) 其中，h 嬲越n 和王l m 越n 分别是主放漏极电压和电流的基波幅值。 如果在b - b 类d p a 中，明智的是将主放在转折点提供的输出功率联系到可得到的 最大功率。因此，在d o h e r t y 域漏极电压保持不变的假设下，也就是假定一样的输出 电压摆幅v d d k ，接下来参数q 定义为： q ：! ! 鲢鹜蜜坠然：三墨= 鹜蜜f ! 墨垒! 墼圣2 p 口畦m 虹m 取i ：，m l 证( a b ) ( 2 1 4 ) 将在下面说明，d p a 输出的最大输出功率是l qp o u 啪量；n 捌缸。因此参数q 表示 整个放大器输出回退等级( 0 b o ) ，也就是基于输出功率范围的d o h e r t y 域。比如 q = 0 5 意味着6 d b 的0 b 0 ，其整个漏极效率应尽可能保持更高。类似的，x b 础相 1 l 2d o h e r b 功率放大器原理 硕士论文 关于输入回退( i b o ) ，表示了d o h e r t y 域开始的输入驱动级。所以下面两个参数可 被定义： 0 b 0 = - 2 0 l o g ( a ) l b o = - - 2 0 l o g ( x b 融) ( 2 1 5 ) 在公式( 2 6 ) 内用9 髓和l 掰娃嬲取矗分别代替em 和l m 饯，傅里叶谐波分量可容易的被 推导出。然后比较x = 和x = l 时的基波分量，下面的关系可由公式( 2 1 4 ) 推导出： 砘蹭k 【e 抽r h k s i n ( e 妇诎) 】= q 【e a b s l n ( e 朋) 】 【2 1 6 ) 其中e 石b 持i l c 和x b 糟i l c 的值关系到公式( 2 7 ) ，em = e 髓。如果q 设定了，关系式 ( 2 1 6 ) 是在不知道x b 址的情况下的先验等式。相反的，l 。r l t i c s - 以及砘诎的值设定 后，可以很容易的导出q 。在图2 7 ，结果0 b 0 被称作i b 0 的函数，假定主器 件的偏置点毛为一个参数。 蕾 o o 1 b o d b ， 图2 7 主放不同偏置条件下，0 b 0 对应i b 0 的变化曲线 可以从图2 7 中注意到，o b o 和i b o 之间重要的不同，取决于主放器件的 偏置点。随着偏置点毛的上升，不同点也会变大。比如，当毛= o 1 ，7 3 d b 的i b 0 对应可获得6 d b 的0 b 0 。此外，当考虑的是b - b 类d p a 时，该不同点会消失( 见 图中灰色虚线) 。实际上，在后面的情况，由于输入驱动信号x 基波信号分量相同的 线性关系，输入输出回退等级也是一样的。 从等式( 2 1 3 ) 出发，和对电流傅里叶基波分量的说明，主放器件看到的阻抗为： ，a b 、 口( x ) - - 2 忑v d d 忑- v ki 专嘉为x e o ，x b r | - i 】 ( 2 1 7 ) 一旦x b ，e i k 的值从公式( 2 1 6 ) 推导出，就可以将i 帆t 越的值关联到主器件漏极最大 电流i m “l m 越n ，也就是负载线达到垂直线v d 毒= v k 的那个点( 见图2 6 ) - 硕士论文基于氮化镓的s 波段d o h e r t y 功率放大器的研究 热= 专罩早 弦m 1 m e 麒蠢n l c o l l 苎j 而且，因为输出电压摆幅加载在整个主器件两端，可写出下面的关系： v b 越n ( x ) = m n ( x ) l 埘m 矗( x ) = 詈( v d 。- v k ) - 玉锷善末争x 【o ，x b 糟l k 】 ( 2 1 9 ) 在这一点上，所有用于转折点主放特性计算的参数都是可行的。所以整个d p a 域内的 输出功率，d c 功率和效率的估算可以看作归一化输入驱动信号x 的函数( 或者正比 于x 2 相应的输入功率) 。 2 1 2d o h e r t y 域的分析( x b 持a l zs1 ) 在该区域，分析的结构在图2 8 中给出，然而在d o h e r t y 域结尾处主放和辅放对 应的最佳负载曲线在图2 9 中给出。 1 删。 v 岫 k 屏，f 一 图2 8d o h e r t y 域被分析的d p a 结构 在d o h e r t y 域，也就是x b ，号呔 x 冬1 ，可假定主器件如一个恒定电压源，幅值 设定为v l 潮越n = v d d v k 。相反的，如果主器件看到的负载被辅助器件调制，电流基 波分量l l 跚n ( ex ) 可作为输入信号x 的函数变化。如果方法得当，d p a 饱和时( 也就 是x = 1 ) ，l l m - i 矗( ex ) 变成l l m l l 嚣( ea b ) ，同时辅助器件两端的电压v l 应该达到最大摆 幅v d d u 以保证最大效率的情况。实际上，往后情况的实现不是自动获得的，而是 经过一个合适的辅助器件尺寸。 为了估算所有d p a 相关输出指标，可以首先假定无损四分之一传输线( 参考图 2 8 中的可变参数) 的功率保存特性。意味着主器件所有的功率将传递到负载甩上， 所以结果得下面的关系： 三a i n t i 埘a i n = 吒- i z ( 2 2 0 ) 1 3 2d o h e r b 功率放大器原理 硕士论文 因此在饱和点(