（电路与系统专业论文）移动通信中的doherty功放研究.pdf

摘要 摘要 第三代移动通信系统w c d m a 、t d s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 ，以及l t e ( l o n g t e r me v o l u t i o n ) 为了有效提高了频谱利用率，采用了q a m 、q p s k 、d p s k 等调制方 式。这些调制方式同时对载波的幅度或相位进行调制，但调制滤波后的信号变成 非恒包络信号。以w c d m a 为例，他下行链路采用了q p s k 非恒包络调制方式，通常 在多载波的情况下峰值和平均值相差较大。基站发射机功放大部分情况下都工作 在平均功率情况下，放大器没有工作在饱和点附近，因此放大器的效率如功率附加 效率将会大大的降低。同时在实际应用中，功率放大器的效率直接关系到基站的 运营成本，以及热设计。电费和降温设备将占据大部分的成本，因此功率放大器 的效率设计越来越成为功放设计的热门。本文采用d o h e r t y 技术可以较好的解决 功率放大器中所遇到的这个问题。 本文主要分为六个章节，第一章为引言，介绍了d o h e r t y 的背景。第二章节 介绍功率放大器的非线性特性以及主要的技术指标。第三首先介绍了几种提高射 频功放效率的技术，其中对d o h e r t y 功放( d p a ) 进行了重点讨论。第四章对功放的 电记忆效应进行理论的分析和仿真。第五根据理论分析对d o h e r t y 放大器进行了 仿真设计和匹配介绍，同时进行了单管，平衡式的对比仿真。第六章主要是各个 模块的实物图，以及测试结果，结果达到预期指标。同时根据单管，平衡式和 d o h e r t y 结构的测试结果进行了比较分析。 关键词：d o h e r t y ，峰均比，功率附加效率，三阶交调系数，电记忆效应，负载 牵引。 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c ye f f e c t i v e l y , t h et h i r dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，s u c ha sw c d m a ，t d s c d m a ，c d m a 2 0 0 0a n dl t e ( 1 0 n gt e r m - e v o l u t i o n ) ， e m p l o yt h em o d e r a t i n gm e t h o d , i n c l u d i n gq a m ，q p s kd p s ka n ds oo n t h e s e m e t h o d sc h a n g et h ea m p l i t u d ea n dp h a s e ，s ot h es i g n 2 l 1w i l lb en o - c o n s t a n te n v e l o p e w c d m a e m p l o y sn o n - c o n s t a n te n v e l o p em o d u l a t i o nt e c h n i q u e sw i t hah i 曲p e a kt o a v e r a g er a t i o n l ep o w e rb a c k o f ft e c h n i q u ei sa l le f f e c t i v em e t h o dt oe n h a n c e 廿l e l i n e a r i t y h o w e v e r , u n f o r t u n a t e l y , 、历t 1 1t h ep o w e rb a c k e do f fr e g i o nf r o ms a t u r a t i o n , t h ep a e ( p o w e ra d d i t i o n a le f f i c i e n c y ) w i l ld r o pi m m e d i a t e l y a tt h es a m et i m e ，a s t h ep ai st h eh i 曲- p o w e rd i s s i p a t i o nc o m p o n e n t ，ad e s i g no ff lh i 曲e f f i c i e n c yp o w e r a m p l i f i e ri sn e c e s s a r y , t oo v e r c o m et h eb a n e r yl i f e t i m el i m i t a t i o na n dp a sm t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 1 1 1 ed o h e r t ya m p l i f i e rt e c h n i q u ec a l lb eg o o df o r r e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m s n et h e s i si n c l u d e ss i xc h a p t e r s n ef i r s tc h a p t e ri se x o r d i u m i nt h es e c o n d c h a p t e r , t h ec h a r a c t e ro fn o n l i n e a rp aa n dt h et e c h n o l o g yi n d e x e sw i l lb ei n _ 仃o d u c e d i nt h et h i r dc h a p t e r , s o m et e c h n i q u e st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp aw i l lb em e n t i o n e d , i n c l u d i n gt h ea n a l y s i so fd o h e r t yp a i nt h ef o u r t hc h a p t e r , e l e c t r o n i c a lm e m o r y e f f e c ti si n t r o d u c e d i nt h ef i f t h c h a p t e r , w h i c hf o c u so nt h ec o m p a r i s o no fa s i n g l e - e n d e dc l a s sa b ，ab a l a n c ea n dad o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r , i ss i m u l a t e da n d d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i s i nt h el a s tc h a p t e rt h ef i g u r e so fm a i n c i r c u i t sa n dt e s tr e s u l t sa r es h o w n , a n dc o m p a r e st h et e s tr e s u l t so ft h r e ek i n d so f s t r u c t u r ei n t r o d u c e da b o v e k e y w o r d s ：d o h e r t y , p a p r , p a e ，i m 3 ，a c l r , m e m o r ye f f e c t ，l o a dp u l l n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 醐：叩朔细 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：7 年夕月舌日 第一章引言 第一章引言 射频功率放大器是无线通信系统中非常重要的器件，移动基站的主要成本。 在第一代和第二代移动通信系统中，信号的调制方式都是采用恒包络调制如g s m 采用的g m s k ( 高斯最小频移键控) 。恒包络调制的优点是对功率放大器的线性 度要求不高，同时功率放大器可以工作在效率相对较高的临近饱和区。但是恒包 络调制方式对频谱的利用率低，这限制了通信系统的容量。当今的移动通信调制 方式都是数字调制如图1 1 。第三代移动通信系统采用如q a m ( 正交幅度调制) 、 q p s k ( 正交相移键控) 、d p s k ( 二进制相移键控) 等调制方式。q a m 本身是对 载波的幅度进行调制，信号变成了非常数包络。而d p s k 和q p s k 本身只是调相， 并不调幅，但为了缩小带宽，提高了频谱利用率，他调制后经过滤波后的信号变 成非恒包络信号如图1 2 所示。非恒包络信号的放大，会产生严重的带内失真和 带外失真，这给放大器的设计带来严重的挑战。同时从图1 2 的c c d f ( 互补累 计分布函数) 的测试结果我们可以看出，信号在8 0 情况下都工作在m e a n p o w e r ( 均值功率) 下，这就降低了功率放大器的效率。q p s k 调制滤波后的星座图如 图1 2 ，我们也可以清楚地看出射频信号的幅度和相位都发生了改交。 a m p l i t u d e f r e q u e n c y p h a s e b o t ha m p l i t u d e a n dp h a s e 图1 - 1 数字调制时域信号 功率放大器作为移动基站设备中最大的耗能元件，它的效率高低直接关系到 无线通讯系统建设成本和运营成本。同时由于p a p r ( 峰均比) 越来越高，现在 也知的可以达到1 2 d b 左右，功率放大器大部分时间都工作在低功率情况下。通 电于科技太学硕学位论女 常功放的工作效率通常不高，只有2 0 左右口j 。这意味着将近8 0 的功率被损耗 并转化为热量散发出去。同时因为功放的效率低，它的直流功率耗散严重，这给 功放热设计更加复杂化。此外，功率放大器温度过高还会引起工作的不稳定。网 此，提高基站系统中功率放大器的效率有着极其重要的意义。 常用提高功率放大器效率的技术有：e e r ( k a h n 包络分离和恢复技术) ，e t ( 包 络跟踪技术1 ，l i n c ( 异相功率放大器) 技术，d o h e r t y ( j 苴尔蒂) 。同其它几种技 术相比，由于d o h e n y 放大器效率高、实现方式简单，成本相对低廉，对系统的 线性度的影响相对较小的优点，可以方便地和改善线性度的前馈和预失真技术相 结合，因而在现代无线通信系统中得到了广泛的研究和应用。 。j 竺”竺竺竺竺竺：! 兰：三 “m 一。_ + 4 一一h m a g ( s l n ”哪川n 2 q ( o 2 ) 】 os 1 = l ( 日c o s ( c ( n ) j q o s i n ( ”c 卜螯 “i2v , c b i a 时域佑c c d f 测试编鞋 当今几乎所有的移动设备生产商都在研究d o h e 晰技术，前面已经提到目前 的调制方式导致了射频信号的非常数包络。非常数包络就会促进基带预失真和 d o h e “y 技术的发展如图1 - 3 所示。非常数包络就表明信号的幅度包含了信息，所 以需要用线性化技术；非常数包络也表明功率放大器大部分时问工作在低功率情 况f ，所以需要提高功率放大器在低功率情况下的效率。本文着重讲的是提高功 放低功率工作效率的d o h e r 【y 技术。当令无论学术界还是工业界，都非常重视对 d o h e r t y 放大器的研究。i e e e 文库中d o h e r t y 的论文不下3 0 0 篇，同时每年都有 相当数量的相关论文发表和专利被申请。国内整体开展功率放大器高效率技术的 研究及应用工作要滞后得多，发表的论文大多属于介绍性，相关方面的发明专利 也很少。本文主要介绍了d o h e r t y 功率放大器的设计以及对降低功率放大器的电 记忆效应做丁仿真和设计。 寥酾童 第一$ 言 。：* 叵 l _ l f 圈7 o 学到 硼a p 。匦! ! 兰兰兰习高口0 p a p r 二二二二= 二：二j 图卜3 解决非常数包络的两种技术 d o h e r t y 结构的放大器可以较好的解决功率放大器在功率回退时效率提升的 问题，结合预失真电路，可以在线性度和效率之间做到较好的兼顾，d o h e r t y 电 路的基本原理是有源负载牵引，从而在同退6 d b 时获得高效率。d o h e r t y 放大器 包括两个部分：一个载波放大器，一个峰值放大器。由于d o h e r t y 的峰值放大器 工作在c 类，线性度和a b 类比较有一定得恶化。所以d o h e r t y 技术需要与其他线 性化技术如d p d ( 数字预失真) 技术配合使用，当与d p d 技术配合使用时效率可 达3 0 以上。根据此项技术研究设计的新一代基站功放，除了功放效率得到很大 提高外还具有体积小、可靠性高和成本低的优势”1 。 参考3 g p p 标准对w c d m af d d 模式微蜂窝基站发射机射频特性的指标要求。根 据a c p r 和双音测试的i m 3 的关系制定了本系统的主要射频指标如下。 工作频率：2 11 0 2 1 7 0 m h z 。 输出功率：均值功率15 w ，峰值功率6 0 w 。 末级功放效率：3 j 。 增益：5 0 d b 。 增盏平坦度：05 d r 。 输入驻波比 j5 。 三阶交调抑制： r ( 一t 6 第二章功放的非线性特性 价c o s 一卜扣c o s 2 蚋 ( 2 - i o ) 式中，痧是在此条件下a m p m 相移的峰值，矽 l r a d 。因为包络振幅可达正峰 值或负峰值，所以r f 相移为r a d 。式( 2 1 0 ) 展开后为： 咋o ) = c o s a o , 。t ( c o s 耐c o s y s i n 研s i n 缈) ( 2 一1 1 ) 式中，缈= 量( o s 2 蚋 “1 ，l f ，也远远小于l ，所以c o s i v l ，s i n 垆, 缈。于是 僻c o s 卜一扣础s 证r = c 。s ， c o s c 研一争+ 詈c 。s 2 r s 试研 = c 。s ， c 。s c 耐一争+ 普s 咄彩+ 2 y + 普s 缸一2 弦 = 圭c 。s c 国+ y 一善 + 吾c 。s c 国一弦一詈 + 吾【s i n 沏+ y + s i n ( 国+ 3 c o ) f + s 试缈一y + s i n ( 国一3 ) 印 ( 2 一1 2 ) a m - p m 失真的最大影响一般附加于与i m 3 产物相同的频率项上，即c o + 3 c o , ， 这些附加项的振幅为矽8 ，- qi m 3 产物矢量相加，产生幅度失真。幅度失真由下 式得： 咋o ) c o s ，+ 鸬c 。s 3 t + a 5c o s 5 r + 】c 。s 甜+ 1 + c o s 2 ，) c 2 一- 3 ) 烙卜式屠开归# 后可得= 阶榧幅失直项f 厶c o s 3 c of 。 7 电子科技大学硕士学位论文 k 。，= 圭c o s c 国+ y 一詈 + 三c o s c 缈一y 一善 + 詈【s i n ( 缈+ y + s i i l + 3 ) f + s 酞缈一) f + s i n 一3 ) r 】 + 譬c 。s c 国+ 3 y 一善 + 譬c o s c 缈一3 弘一罢 + 警【s i n 沏+ 3 ) ，+ s 坂彩+ 5 ) ，+ s i n p 一3 ) ，+ s i n 细一5 ) ，】( 2 - 1 4 ) 设交叉项与其它项可以忽略，i m 3 产物得幅度可表达为： ，= 等c o s 卜3 螂一斗争心螂( 2 - 1 5 ) 式2 - 1 5 表示了i m 3 产物的主要分量，其中包含a m a m 和a m - p m 机理产生的产 物。注意上式是假设矽很小的时候得到的，a m a m 贡献的i m 3 产物与a m p m 产生 的i m 3 产物近似正交。因此，这两种机理的i m 3 产物不可能抵消，它们组合后的 i m 3 产物一般来说都比单独的部分大。 由于a m p m 贡献的上下边带极性相反，造成了边带的不对称。另外表面状态 和热效应会引入时间延时，从而破坏a m 失真与p m 失真之间的相位同步，导致p m 特性的不对称，进而引起上下i m 3 边带不对称性。在射频功率放大器线性化中， i m 3 的上下边带不对称会使前馈和预失真系统大大复杂化。 2 2 功放的主要指标 为了测试功率放大器的各种线性和非线性特性，制定了一系y j j 钡q 试功率放大 器的指标。功率放大器的线性技术指标主要有工作频带、增益、驻波比、效率。 表征功率放大器非线性特性的非线性指标主要有输出l d b 压缩点功率e 四、三阶 交调i m d 3 、输出三阶交调截断点d 职和邻信道泄漏比( a c l r ) 。 2 2 1 效率的定义 其中功率放大器的线性指标的定义都比较简单，如工作频带和驻波，以及增 益。效率的定义是一个重点，效率的定义有很多种，如漏极效率，功率附加效率 8 第二章功放的非线性特性 刁= 毒( 2 - 1 6 ) p a e ：必 ( 2 1 7 ) 刁妇= 丽p o ( v ) ( 2 - 1 8 ) ，7 。蟹：r e i o 才( v 丙) p ( v ) 一d v ( 2 - 1 9 ) 叫嚼广罴删矿 l d b 压缩点( 只招) 是描述功率放大器功率输出能力的重要指标。当输入功率 较小时，功率放大器的转移特性曲线是过圆点的直线。输出功率与输入功率成线 性关系。随着输入功率的增大，当输入功率使功率放大器工作到饱和点附近时， 放大器增益就会出现压缩，也就是上节讲到的a m a m 效应。功放增益下降，输 出功率达到最大值不在随输入功率的增加而上升。 通常情况下，l d b 压缩点( d 。) 的定义为比其线性增益小l d b 时的输入功率 叫输入l d b 点( p i 玛l d b ) ，这时的输出功率叫输出l d b 点( p o 虬l d b ) 。互曲是衡量功 率放大器的功率容量的重要指标。图2 - 3 是功率放大器输出功率与输入功率的关 系曲线。 假设l d b 时的增益为g l 血。根据上面的分析就可以得到g l d b p o u t , i d b 、p i i l l 阳 三者之间的关系，可用式( 2 2 0 ) 表示。 己溜( d b m ) = 乇, l d b ( d b m ) 一g 留( d 8 ) ( 2 - 2 0 ) 9 电子科技大学硕士学位论文 i i p 3 只。d b m 图2 - 3 非线性元件的置拈、三阶截断点 2 2 3 三阶交调失真 三阶互调失真是指工作频带内的两个或两个以上的单音信号通过功率放大器 后，输出信号中出现不需要的谐波和组合频率分量的现象。对功放进行双音测试， 输入等幅的两个不同频率的信号，分别为石和六，由于功放的非线性特性，输出 信号的频谱上将产生新的组合频率的失真分量，一般表示为，研嘎，最靠近石和 五的失真分量的频率为2 彳一五和2 正一石，即是三阶交调失真。 幅度 f 2 f 12 f , - f 2 f ，f 22 f 2 一f lf l + f 2 2 f , 2 f 2 频率 图2 - 4 三阶交调失真 如图2 - 4 所示。由于这两个失真分量和放大器的输出载波信号靠得很近，滤 1 0 第二章功放的非线性特性 波器难于滤除，故以它们的幅度与载波幅度之比值衡量放大器非线性失真的程度， 定义为三阶交调系数n 织，用分贝表示式： i m d 3 = 2 0 l g 蕊c 2 2 4 输出三阶截断点 在图2 - 3 中，放大器的理想输出曲线与三阶交调分量曲线延长相交，这个交 点所对应的输出功率便为放大器的输出三阶截断点o i p 3 ，可由式( 2 2 1 ) 得出。 o i p 3 = 尸伽，( d b m ) - i m d 3 ( 2 2 1 ) 同时，o i p 3 和曩国有如下关系： o i p 3 = 互面+ 10 6 ( d b m ) ( 2 - 2 2 ) 2 2 5 邻信道功率泄漏比a c p r 邻信道功率比a c p r ( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o ) 的定义是：相邻两个 信道内的功率和主信道输输出功率的比用d b c 表示。邻信道功率的产生主要来自 两个方面，一是由于器件的非线性作用产生，二是由于主信道信号本身频谱比信 道带宽要宽，造成频谱泄漏所致，如图2 5 所示。 图2 - 5 器件非线性产生的邻道功率 由于测试a c p r 需要专门的调制信号源，还有高端的频谱分析仪，测试环境要 求比较高。在实际中通常采用双音测试法来代替a c p r 的测试。双音测试系统结 果简单，需要两个高线性的射频源，还有就是一个3 d b 功分器作为合路器，已经 一个简单的频谱分析仪。双音三阶交调的测试比较简单，而且在谱仪上的读数也 电子科技大学硕士学位论文 很简单，他的应用非常广泛。而且通过调制信号的方式和一些特定参数可以把三 阶交调失真换算为相邻信道功率比。a c l r 可由i m d 推算出，如式2 - 2 3 。 彳口= 蚴- 6 + l o l o g ( 熹) 协2 3 ， 式( 2 2 3 ) 中， 彳= 坌警+ t m o d ( n 2 ) ；b=tn-mod(n2)； n 为信道 个数；m o d ( ) 是取余函数。 1 2 第三章d o h e r t y 功放原理 第三章d o h e r t y 功放原理 现在的功率放大器都是工作在调制信号下，也就是说功放大部分时间都工作 在一个较低的功率水平。因此如何提高功率放大器低输入功率水平时的效率也成 为功放研究热点。功率放大器提升效率的技术主要有：e e r ( k a h n 包络分离和恢 复技术) ，e t ( 包络跟踪技术) ，l i n c ( 异相功率放大器) 技术，d o h e r t y ( 道尔蒂) 。 d o h e r t y 技术同其他几种技术相比实现方式简单，成本低廉。同时可以方便地和 改善线性度的前馈和预失真技术相结合n 町。本章简单介绍了e e r 、e t 、l i n c 技术 和基本原理，着重讲了d o h e r t y 功率放大器的工作原理以及详细给出了各种工作 状态下的效率分析还有阻抗。同时对d o h e r t y 功率放大器的线性度的适当减小给 出了理论分析。最后列出d o h e r t y 结构相对于其他改善效率的技术做了一个优点 比较。 3 1 影响功放效率的主要因数 通常情况下功率放大器的漏极效率可由式4 一1 分析得到。式中e = 三厶y 是基 波输出功率；咒= i o 是直流供电功率；，。是输出基波电流振幅；j 。是直流电 流；y 是集电极基波电压振幅；是电源供电电压。 ，7 = 忍p _ l = 2 1 厶i ii v ( 3 - 1 ) 从式3 - 1 中可以看出要保持功率放大器的效率和基波电流与直流电流的比值 和基波电压和直流供电电压的比值成正比。如果我们想提高功率放大器饱和功率 回退的情况下，也就是小功率工作状态下的效率，就必须保持这两个比值不变。 功率放大器基波电流和直流供电电流的比值主要和功率放大器的导通角有 关。如功率放大器b 类工作时，导通角等于1 8 0 。对于a 类放大器厶= l ；对 于b 类放大器i 。= 1 5 ；对于c 类放大器厶= 2 。当功率放大器在b 类附近 工作时，也就是导通角在1 8 0 度附近小幅变化时，基波电流和直流供电电流的比 1 3 电子科技大学硕士学位论文 值在1 0 到2 0 之间变化。从这段分析我们看出功率放大器的效率主要由基波电 压幅度和直流供电电压幅度的比值来决定，我们的主要工作就是在当输入功率降 低的情况下保持这个比值不变。 在输出功率回退的情况下，漏极效率主要由电压比y 决定。为了保持高 效率这个比值在不同的输出功率电平下应该保持为常数，主要有两种方法：一是 负载调制：二是供电调制技术。随着输入功率的变化负载条直线和输出电压波形 如图3 - 1 所示。 a 刁兰 t - _ - 三 图3 - 1 负载调制和供电调制的负载线变化图 负载调制如图3 - 1 左边，他提高效率的原理是：当输入功率减小时，增大输 出阻抗，负载线开始变化，从图中我们可以看出虽然输入功率降低但输出电压波 形幅度并没有太大变化，仍然工作在饱和点附近。根据式3 1 ，可以得出功放效 率基本没有变化。后面讲到的l i n c 和d o h e r t y 属于负载调制技术。 供电调制如图3 - 1 右边，他提高效率的原理是：漏极供电电压的变化随着输 入信号包络的变化而变化，当输入功率降低时，漏极供电电压也减小了。虽然输 入电压波形减小可基波电压幅度和供电电压幅度的比值没有变化，放大器仍然工 作在饱和点附近。根据式3 - 1 ，可以得出功放效率基本没有变化。后面讲到的e e r 和e t 就属于供电调制技术。 仔细观察可以发现，上面两种技术为了提高回退点的效率，都是让功放保持 工作在饱和点附近。功率放大器工作在饱和点附近为什么有高的效率? 以m o s 管 为例，当功放工作在饱和点附近时，也就是v d s 很小，反型层形成，沟道刚好没 有夹断。此时沟道电阻很小，直流电压降也很小，这样管子消耗的直流功率也就 很小，因此有一个好的效率。 1 4 第三章d o h e x t y 功放原理 3 2 改善功率放大器的几种技术 3 2 1k a h n 包络分离和恢复技术( e e r ) 1 9 5 0 年k a h n 提出了包络分离和恢复技术( e e r ) ，它主要用来改善短波广播 发射机的效率。k a h ne e r 发射机具有输出功率电平回退的整个动态范围内的高效 率，平均效率要高3 - - 5 倍。k a h ne e r 发射机的结构框图如图3 2 。 经典的包络分离和恢复方案中，包括耦合器、包络检波器、限幅器、s 类调 制器等，为了两个之路的延时相同，延迟线是必要的。他的基本原理就是把信号 的幅度信息和相位信息分别放大。一条支路责包络信号放大，而另一条支路负责 常数包络信号的放大。常数包络r f 信号可以使用高效率的b 类、e 类、或f 类等 工作模式。最后通过一个s 类调制器恢复相位调制载波信号的包络，得到和输入 r f 信号成比例幅度和相等的相位调制信号。 图3 - 2 传统k a h n 模拟包络分离和恢复方案 3 2 2 包络跟踪( e t ) 根据3 - 1 节的分析，包络跟踪技术( e t ) 与包络分离和恢复技术( e e r ) 相似， 都属于供电电压调制技术。包络跟踪技术的原理图如图3 3 ，它们最大的不同之 处在于，包络跟踪技术中使用的是线性放大器，且射频通道里没有限幅器。包络 跟踪的实质就是随着功率放大器的输入功率的变化而实时改变漏极供电电压的变 化。从图3 - 3 包络跟踪的结构图中可以看出，包络检波器用于实时检测输入信号 的包络，得到个低频的包络信号。这里通过d c d c 变换器来放大这个低频的直 流信号。d c - d c 的输出对线性功率放大器的供电电压进行实时控制。包络跟踪的 功率放大器也有其致命的缺点。它的线性度一般比具有固定供电电压的功率放大 电子科技大学硕士学位论文 器的线性度差，但实际中可使用预失真器技术来提高线性度。 图3 - 3 模拟控制功放包络跟踪方框图 3 3 3 异相功率放大器( l i n o ) 异相功率放大器调制技术首先在1 9 3 5 年被研发出来，名字为l i n c ( l i n e a r a m p l i f i c a t i o nu s i n gn o n l i n e a rc o m p o n e n t ) 。异相功率放大器既是一种改善线 性度的技术又是一种改善功率放大器效率的技术。 l i n c 发射机的原理如图3 - 4 ( a ) 。它主要由信号分离器( s i g n a lc o m p o n e n t s e p a r a t o r ，s c s ) 、两个常数包络放大的功率放大器等。l i n c 发射机能提高效率， 主要就是这两个常数包络放大器可以采用高效率的c 类，d 类等工作模式。在系 统结构中信号分离器是其核心部件，输入信号经过信号分离器后变成两个不同相 位+ 烈f ) 和一烈f ) 的正弦信号。这两个信号被非线性功率放大器放大，再叠加在一 起产生输出振幅调制信号。通过改变两路信号的分离相位，就可以改变功放合成 后的输出电流大小，从而改变其效率。 饱和输出时，l i n c 的最大效率可达7 8 5 ( 此时伊= 9 0 。) 。i l = i = i ，然 后同相相加，类似推挽工作。零输出功率对应矽= 0 。时的信号，功率放大器出来 的电流相互抵消，即i ，= 0 。相位在0 。 矽 9 0 0 的值产生输出电压振幅的中间值。 如图3 - 4 ( b ) 所示，时变的相位可利用输出电压k 和的矢量和写出，如下式： 伊= a r c s i n ( v l p ) 1 6 ( 3 - 2 ) 第三章d o h e n y 功放原理 一c o s 耐 ( 一1 ) 一s l n 扛碍 ( a ) ( + 、 卯) 7、 容，吒， s i n 酬 ( 一d1 坩 l l _ 二- ( b ) 图3 - 4 简单的l i n c 系统原理图 式3 2 中，p 是峰值包络功率时的最大电压输出副值；吃= i l r 上是负载 电阻心两端的电压幅值。 3 3d o h e r t y 功率放大器 3 3 1d o h e r t y 功率放大器简介 d o h e r t y 功率放大器( d p a ) 是由贝尔实验室的w h d o h e r t y 于1 9 3 6 年提出 的概念，最初用于低频的幅度调制广播系统中。随着新一代移动通信的出现，尤 其是采用了如q a m 、q p s k 、d p s k 等非常数包络调制方式，通信带宽日益加宽， 载波数量日益增多，这导致了射频信号的峰均l 匕( p a p r ) 越来越大。以w c d m a 1 7 电子科技大学硕士学位论文 两载波为例，峰均比也达到了8 d b 左右。从前面的c c d f 测试中我们可以看出功 放在8 0 的概率下都工作在饱和点回退8 d b 的工作状态，这严重影响了功率放大 器的效率。d o h e r t y 结构可以在功率回退时可保持功放的高效率近似不变，同时 由于他结构简单，成本低廉。这使d p a 技术重新得到重视，并广泛应用于3 g 通 信系统中。经典的d o h e r t y 电路拓扑如图3 - 5 所示，包括2 个放大器：主放大器 和辅助放大器。两个放大器并行连接，主放大器串接一条州4 的微带线起阻抗变 换作用，辅助放大器前4 线起相位平衡作用。 图3 - 5 经典双级d o h e r t y 功率放大器原理图 3 3 2 有源负载牵引 当主放大器接近饱和时辅助放大器输出电流，由此减小的主放大器的输出阻 抗，这样就能让主放大器在达到饱和时输出更多的电流，这种现象可以用“有源 负载牵引的理论来解释，如图3 - 6 ( a ) 。采用此方法可以使主放大器在饱和输 出点处功率回退6 d b 的情况下获得和输出饱和功率一样的效率。图3 - 6 ( b ) 是基 频电流随输入电压变化图。两个放大器的负载阻抗为式( 3 - 3 ) ，式( 3 - 4 ) n 羽。 z c = 笔，o 吼叫： 葙圯酬一“胛 1 8 ( 3 - 3 ) 第三章d o h e r t y 功放原理 如菩= ：懈耻仁2 0 ( 3 - 4 ) 当输入为低功率电平时( 0 m 酬：) ，p a i 即载波放大器工作在有源区， 而峰值放大器：p a 2 处于截止状态。载波放大器在输入电压为吃。一2 时达到饱和状 态。由于p a 2 处于截止状态所以提供给负载r 0 的电流全部是由载波放大器所产生。 此时传输线耦合器对p a l 的呈现的负载阻抗为r ，= 也2 r o 。p a l 通过传输线耦合器 件提供给负载的电流为1 3 。= 乙，p a l 输出电流为：厶。= i o 。r = 。2 r 。，p a 2 的 输出电流为o ，所以当= 2 时，载波放大器件处于饱和状态 在高功率电平下( ，衄2 v 加 圪，矾) ，载波放大器是饱和的而峰值放大器是 导通的，工作在有源区域。当峰值放大器处于导通的临界状态时，此时载波放大 器件和峰值放大器件同时相负载提供电流，p a l 通过传输线耦合器件提供给负载的 电流载波和峰值放大器的效率和负载变化入图3 6 ( b ) ，图3 6 ( c ) 。 ( a ) 1 9 电子科技大学硕士学位论文 蛔v d t a g ea 呷i j n j d e ( b ) 啦加曲出 ( c ) 图3 - 6d o h e r t y 功放电流和负载牵引图 3 3 3d o h e r t y 功率放大器的效率 3 3 3 1 传输线耦合器 在图3 5 中，决定传输线耦合器工作的基本关系是蜀b = 避。无损耗线的假设 要求功率守恒，因此流入负载的电流与p a 。输出电压的关系例是： 由：j ，釜毛2 ，得到： 【k 。= 1 3 ，。 k = 志= v r i m ( r i r3 ) 2 也 耦合器所产生的变压比t 由下式给出： 丁z ：堕：里：嬖 嵫r 3 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 输出电流，o ，是传输线耦合器输出电流和p a 2 的输出电流之和1 2 朋+ 1 3 。分配 比由下式来决定： s ：生 ，o 肼 因此，输出功率r 是e 和只之和： ( 3 - 7 ) 第三章d o h e r t y 功放原理 最= 毕= s ? o 最= 警- ( 1 咽忍 从传输线耦合器输出端看的阻抗为： 坞= 等= 丧= 誓 同样，从p a ：看的阻抗为 r ：r o i s o n 朝嘣嘲 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 图3 7d o h e r t y 功率放大器的效率 3 3 3 2 峰值功率工作状态 在p e p 时，二级p a 都是饱和的。因此系统和p a 2 的峰值输出电压为，而峰 值输出功率为岛脚= 堕2 r o 。两个电压之比决定了耦合器的变压比：。= n ，d d 。 极为方便的( 尽管不必需) 是令1 = ，i 因1 l t t = 1 。则根据式( 3 6 ) 和式( 3 9 ) 可得： 町咕此o 誊暑奄一看 电子科技大学硕士学位论文 耻b 咄= 鲁 ( 3 - 1 1 ) 式中口是在p e p i 对的功率分配比。对于经典的d o h e r t y p a ，口= 1 2 ，因此 r l = 2 r o ，二级p a 在系统p e p 时产生相等的输出功率。 输出电流为“，= 等，因此p a 的输出电流为厶册吨= 毗，和 ，2 ，= ( 1 - a ) i o 。对于理想的b 类p a ， t 巩“：= 封等+ 半 - 等 净 合成效率： ，7 ：堕丝盟：三 ( 3 1 3 ) 吖( 2 万) ( r 。) 4 与理想b 类p a 单独使用的效率相同。 3 3 3 2 低功率工作状态 在低功率电平时，p a ：截止，p a ，按线性电流源t 作。传输线耦合器对p a ，呈 现的负载阻抗为r l = r ：r o = r 口2 。因此，电压变换比为t 2 = r 。r = 1 口2 ，则 ，= 口k 肘，而刚。在用= 口时出现饱和。p a 。所供给的r f 输出电流为： k 寺= 等 ( 3 - 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) 眦叩= 雨v 厕o ：, ( 2 r o ) = 詈篆= 署急( 3 - 1 6 ) 效率由传统b 类p a 的效率增姗j p e p 分配比口的倒数倍。 第三章d o h c r t y 功放原理 3 3 3 3 中功率工作状态 在中功率电平时，剐。处于饱和状态，刚：按线性电流源工作。黝。( 通过传输 线耦合器) 供给负载的电流( 从式( 3 - 5 ) 和式( 3 - 1 1 ) 为 ( 3 - 1 7 ) 应当指出，l ，在中功率电平区内是常数。从式( 3 1 2 ) 中要产生输出电压， 必须由剐2 供给的r f 电流为： k 咄肘。= 竽 ( 3 - 1 8 ) 中功率电平区的电压变换比为丁= v o 捌，则从p a , 得到的r f 电流为 小等= 百a v o m ( 3 - 1 9 ) 因此，对于理想的b 类p a ，总输入直流为 也叱= 昙半 万虬 3 3 3 4 合成结果 输出功率总是由下式给出 异= 鼍 ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) 中功率各方程式在p e p 下也应是准确的。必须由二级p a 产生的r f 电流为 厶用= 百a v o m 。(3-22) 10 , 0 肼口 1 2 m2 毕，口 所 【 蜀 “岍删 对于理想的b 类p a ，可以把式( 3 - 1 7 ) 和式( 3 - 1 8 ) 合并起来以得出 ( 3 - 2 3 ) 盟懿 = 鳖吃 = 电子科技大学硕士学位论文 l 赴= 一21 a v 广o , ，o a 6 5 m 明l 2 1 3 3 6 图5 2 驱动放大器链路框图 末级功放管采用m o t o r o l a 公司的场效应管l d m o s ( 横向扩散金属氧化物) m r f 2 1 0 3 0 。双音测试的典型指标为是：线性度：- 3 5 d b c ，输出功率：3 0 w ，增益： 1 4 d b ，效率：2 9 。 l d m o s 是当前主要的功率放大器技术，在实际中也得到了广泛的应用。他的 制造工艺结合了b p t 和砷化镓工艺，与标准m o s 工艺不同。在器件封装上，l d m o s 没有采用b e o 氧化铍隔离层，而是直接硬接在衬底上，这使器件的导热性能得到 改善，提高了器件的耐高温性，大大延长了器件寿命。同时l d m o s 管还具有负温 效应，他的漏电流在受热时会自动均流。我们知道双极型管具有正温度效应，这 使他在收集极电流局部形成热点，从而管子不易损坏。因此l d m o s 管对负载失配 和过压的承受能力大大增强，m r f 2 1 0 3 0 的漏极电压最大可以达到6 5 v 。还有一个 优点就是由于l d m o s 管的自动均流作用，在i d b 压缩点处其输入输出特性曲线下 弯较缓，固动态范围变宽，有利于提高输出功率。l d m o s 在小信号输入时输入输 出特性曲线近似线性，几乎没有交调失真，有很高的线性度。同时l d m o s 的直流 3 2 第五章d o h e r t y 功放系统的仿真和设计 栅极电流几乎为零，偏置电路简单，无需复杂的带正温度特性的补偿的偏置电路。 综上所述，本文采用l d m o s 这种功率管来设计末级放大器。 5 3d o h e r t y 功率放大器的设计 d o h e r t y 功率放大器的原理在第四章中有所提及，在此仅进行电路的仿真说 明。本节对单管、平衡式和d o h e r t y 功率放大器分别做了仿真设计。 5 3 1 单管( s j n g l e - e n d e d ) 放大器的仿真 末级放大器是在整个系统设计中占有非常重要的地位。由于他的高功率特性 和外匹配特性，他的设计也是最难得一个部分。通过前面分析本问中选用的是 f r e e s c a l 公司的l d m o s 管m r f 2 1 0 3 0 来设计末级功率放大器。l d m o s 的优点在上节 中已经做了讨论。 5 3 1 i 静态工作点的选择 静态工作点的选择是功放设计的关键。主要通过a d s 的d c 仿真来实现。他可 以提供详细的傩、和的关系曲线，对静态工作点的设计变得非常简单。 本文涉及到的功放设计都是用这种方法。 囵涤， v d s - o v