（通信与信息系统专业论文）多合体功率放大器设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着三大运营商全部运营3 g 业务，我国全面进入了3 g 时代。3 g 和2 g 从技 术层面来讲，最大的区别在于它的无线空中数据速率的提高，直接表现为3 g 信号 拥有更高的峰均比，这就要求功率放大器应具有良好的线性性能。 由于3 g 信号高峰均比的特点，使基站功率放大器工作在一个很深的回退状 态，效率下降明显，并且功率放大器被广泛使用于现代无线基站中，对基站的能 耗效率有重要影响，如何有效的解决功率放大器的效率问题就显得非常重要。 在现代通信中，高效率、线性化是功率放大器的发展方向。在众多提高功率 放大器效率的技术中，多合体( d o h e r t y ) 技术以其结构简单、成本低廉、性能优良 等优点，被业界普遍认可。结合数字预失真技术的d o h e r t y 电路结构具有很大的实 用意义。 论文首先对高效率线性功率放大器在当今时代的研究状况进行了介绍，其次 阐述了功率放大器的分类及主要技术指标，对d o h e r t y 功率放大器理论的电路结 构、工作方式、效率计算及改进型电路等进行了详细的分析，然后利用a d s 软件 对d o h e r t y 电路进行设计及搭建，最后对电路仿真结果进行分析并加以改进，并对 其进行了硬件实现和测试，得到了满足指标的测试结果。 通过a d s 软件仿真平台，对d o h e r t y 电路进行了详细的研究。在搭建d o h e r t y 电路的过程中，遇到了d o h e r t y 在实现中出现的两个问题：功率回灌和两路功率放 大器未能同时饱和输出。通过对问题分析，找到了相应的解决方法，即采用延迟 线路和不对称型d o h e r t y 电路。 最终通过实物测试，验证了d o h e r t y 电路提高效率的可行性，具有一定的实用 意义。 关键词：多合体，功率放大器，功率附加效率，a d s a b s t r a c t a b s t r a c t c h i n ai se n t e r e di n t ot h e3 ge r aa c c o m p a n y i n gw i t ha l lt h r e em a j o rc o m m u n i c a t i o n o p e r a t o r sr u n n i n g3 gb u s i n e s s e s i nt e c h n i q u el e v e l ，t h e m a i na d v a n t a g eo f3 g c o m p a r i n gw i t h2 gi st h ei m p r o v e ds p e e do fw i f i ，w h i c hr e s u l t si nah i g h e rp a p rt h a t r e q u i r e sp o w e ra m p l i f i e rh a s am u c hb e r e rl i n e a rp e r f o r m a n c e h o w e v e r , d u et ot h eh i 曲p a p ro ft h e3 gs i g n a l s ，t h ep ai sw o r k i n ga tav e r yd e e p b a c k o f fs i t u a t i o n ，w h i c hr e d u c e dt h ee f f i c i e n c yg r e a t l y m o r e o v e r , p ap l a y sav e r y i m p o r t a n tr o l ei ne f f i c i e n c yo ft h ew i r e l e s ss t a t i o n ，i fc o n s i d e r i n gi t s w i d e l ya p p l i c a t i o n t h es t a t i o n t h e r e f o r e ，i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fp ab e c o m e sab i gi s s u ea tp r e s e n t p aw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dl i n e a r i z a t i o ni st h et r e n di nm o d e mc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e a m o n gv a r i o u st e c h n i q u e so fe f f i c i e n c yi m p r o v i n g ，d o h e r t ym e t h o di s w i d e l ya c c e p t e db yt h em a i ns o c i e t yo w i n gt oi t ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，a sw e l la s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，d o h e r t yc o m b i n e dw i t hd i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ( d p d ) a l s oh a sah u g ep r o s p e c ti na p p l i c a t i o n s i nt h ed i s s e r t a t i o n ，c u r r e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t si np aw i t hh i 曲e f f i c i e n c ya n d 1 i n e a r i z a t i o na r er e v i e w e d ；c l a s s i f i c a t i o na n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fd i f f e r e n tp a sa r e i l l u s t r a t e d ；c i r c u i ts t r u c t u r e ，w o r k i n gm o d e ，e 伍c i e n c yc a l c u l a t i o n ，a sw e l la sm o d i f i e d c i r c u i to fd o h e r t yp aa lea n a l y z e d ；d e s i g n ，c o n s t m c t i o n ，a n ds i m u l a t i o na n a l y z i n ga r e c o n d u c t e db ym e a n so fa d ss o f t w a r e ；l a s tb u tn o tl e a s t h a r d w a r er e a l i z a t i o na n d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d i c a t et h em o d i f i e dd o h e r t yc i r c u i ti ss a t i s f i e d b a c k f l o wa n da s y n c h r o n o u ss a t u r a t e do u t p u to ft h et w o - c h a n n e la pa r et w op r o b l e m s e n c o u n t e r e dd u r i n gd e t a i l e ds i m u l a t i o ni n v e s t i g a t i o n t h et w op r o b l e m sa r es o l v e db y e m p l o y i n gd e l a y i n g c i r c u i ta n da s y m m e t r i cd o h e n y r e s p e c t i v e l y t h em o d i f i e d d o h e r t yi sf i n a l l yp a s s e dt h et e s ta n di m p r o v e dt h ee f f i c i e n c y k e y w o r d s ：d o h e r t y , p a ，p a e ，a d s i i 图目录 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 。5 图2 - 6 图2 。7 图2 8 图2 - 9 图2 1 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图目录 功率放大器工作状态转移图4 a 类功率放大器工作状态转移图5 b 类功率放大器工作状态转移曲线图6 a b 类功率放大器工作状态转移图6 增益平坦度示意图8 l d b 压缩点示意图9 双音三阶互调失真频谱图1 0 三阶截点i p 3 示意图1 0 理想a m a m 、a m p m 曲线图11 实际a m a m 、a m p m 曲线图l1 经典d o h e r t y 电路结构图1 3 经典d o h e r t y 电路工作方式示意图15 有源负载牵引示意图1 6 经典d o h e r t y 电路两路放大器v i 函数曲线l7 经典d o h e r t y 电路阻抗变换示意图18 经典d o h e r t y 电路两路输出、输入电压函数曲线2 0 不等分输入d o h e r t y 电路示意图：2 2 三路d o h e r t y 功率放大器电路示意图2 3 不同结构d o h e r t y 电路的效率比较2 3 m i 讧6 s 2 1 0 5 0 l 直流偏置电路测试图2 7 m r f 6 s 2 1 0 5 0 l 的i v 转移曲线2 7 m r f 6 s 2 1 0 5 0 l 的直流偏置电路2 8 利用s m i m 圆图进行阻抗匹配2 9 m r f 6 s 2 1 0 5 0 l 输入反射系数s ( 1 ，1 ) 仿真结果图3 0 m i 讧6 s 2 1 0 5 0 l 增益仿真曲线图3l m r f 6 s 2 1 0 5 0 l 功率附加效率仿真曲线图一3 1 m r f 6 s 2 1 0 5 0 l 二次谐波抑制比仿真曲线图3 2 d o h e r t y 电路连接示意图3 2 d o h e r t y 电路上、下两路的延迟线电路图3 4 延迟线工作原理示意图3 5 d o h e r t y 电路的功率附加效率仿真曲线图j 3 6 d o h e r t y 电路的增益仿真曲线图3 6 d o h e r t y 电路的二次谐波抑制比仿真曲线图3 7 两种d o h e r t y 电路功率附加效率曲线图3 9 v 图目录 图5 2 m w 4 i c 2 2 3 0 的s ( 1 ，1 ) 仿真图4 1 图5 3m w 4 i c 2 2 3 0 的s ( 2 ，1 ) 仿真图4 1 图5 4整体d o h e r t y 电路的增益仿真曲线图4 2 图5 5整体d o h e r t y 电路的功率附加效率仿真曲线图4 2 图5 6实测整体d o h e r t y 电路的增益曲线4 3 图5 7实测整体d o h e r t y 电路的功率附加效率曲线4 4 图5 8实测整体d o h e r t y 电路的邻近信道功率泄露比曲线4 4 v i 表目录 表目录 表4 1整体d o h e r t y 功率放大器设计指标2 5 表4 2末级d o h e r t y 功率放大器设计指标2 5 表4 3m r f 6 s 2 1 0 5 0 l 主要性能参数2 6 表4 4 d o h e r t y 电路上、下两路输出功率值3 3 表4 5有延迟线d o h e r t y 电路上、下两路输出功率值3 5 表5 1d o h e r t y 电路上、下两路输出功率值3 8 表5 2不对称d o h e r t y 电路上、下两路输出功率值3 9 表5 3两级功率放大器增益分配参数4 0 v i i 缩略词表 英文缩写 3 g a c p r d e d p d e e r e t i m d 3 i p 3 l n 寸c p a p a e p a p r 缩略词表 英文全称 中文释义 3 r d g e n e r a t i o n 第三代数字通信 a d j a c e n t c h a m e lp o w e r 1 e a l ( a g e 邻近信道功率泄露比 r a t i o、。一7 。 d r a i ne f f i c i e n c y d i 醇a lp r e d i s t o r t i o n e n v e l o p ee l i m i n a t i o na n dr e s t o r a t i o n e n v e l o p et r a c k i n g t i l i r d o r d e ri n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n r a t i o 3 - o r d e ri n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n p o i n t l i n e a ra m p l i f i c a t i o nu s i n gn o n l i n e a r c o m p o n e n t s p o w e ra m p l i f i e r p o w e ra d d e de f f i c i e n c y p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o v i i i 漏极效率 数字预失真 包络消去与恢复技术 包络跟踪技术 三阶互调失真比 三阶互调失真点 使用非线性原件的线性放大 技术 功率放大器 功率附加效率 峰值平均功率比 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：刍麴日期：矽尸年歹月哆日 论文使用授权 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 签名：盈趣导师签 日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着三大运营商运营3 g 业务，标志着我国全面进入了3 g 时代。3 g 和2 g 从 技术层面来讲，最大的区别在于它的无线空中数据速率的提高。现在3 g 所能提供 的空中速率一般都可以达到2 m b i t s 以上，某些升级产品甚至最高可以达到几十兆， 这与2 g 相比是一个巨大的差别，相应而来的就是应用上的多样化，如视频电话、 高速数据上载、电话会议等。 3 g 带宽利用率的提高，使其调制方式不得不采用非恒包络调制。例如， t d s c d m a 系统采用的是q p s k 8 p s k 调制，在高速的数据传输应用中，更是采 用了如1 6 q a m 这样的调制方式。调制信号在幅度和相位上都存在信息，最终表现 为3 g 信号拥有更高的峰均比，这使它对功率放大器的线性度要求更高。 由于3 g 信号高峰均比的特点，使基站功率放大器工作在一个很深的回退状 态，效率下降明显，通常不足1 0 ，传统功率放大器采用回退法满足信号对线性 度的要求已不再适用。对于基站功率放大器，效率提升1 ，就意味着电耗将大幅 下降，如今“绿色基站”已决不是一种口号，并且功率放大器被广泛使用于现代 无线基站中，对基站的能耗效率有重要影响，如何有效的解决功率放大器的效率 问题显得非常重要。 1 2 研究现状 功率放大器的线性和效率是设计功率放大器的一对矛盾。在现代通信中，高 效率、线性化是功率放大器的发展方向，由此产生了两个方向的发展。 1 2 1 线性化技术 线性化技术是指：以输入射频信号包络的振幅和相位为参考，与输出信号进 行比较，进而进行校正的技术。实现的常用技术有：功率回退、预失真和前馈。 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 功率回退技术。是最常用的方法，以牺牲直流功耗来提高功率放大器的线 性。功率回退法是指：把功率放大器的输入功率从l d b 压缩点向后回退 & , 1 0 d b ，工作在远小于l d b 压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区。 一般基波功率降低l d b 时，三阶交调失真改善2 6 1 3 。 ( 2 ) 预失真技术。在功率放大器前增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的 失真。预失真技术分为射频( i 讧) 预失真和数字预失真( d p d ) ，具有结构简 单、成本低、易于高频和宽带应用等优点。数字基带预失真由于工作频率 低，可用数字电路实现，可通过增加采样频率和增大量化阶数的办法来抵 消高阶交调失真，是一种很有前途的技术。 ( 3 ) 前馈技术。来源于“反馈”，前馈线性放大器通过耦合器、衰减器、合成 器、延迟线、功分器等组成两个环路。通过首先抵消放大器的基频信号， 将剩下的交调干扰放大，再抵消功率放大器的交调干扰，从而改善线性度。 前馈有较高校准精度的优点，但其成本高并且抵消要求苛刻，需获得幅度、 相位、时延等的匹配。 1 2 2 效率提高技术 功率放大器提升效率的技术主要有：包络跟踪技术( e t ) 、利用非线性元件的线 性放大技术( l i n c ) 以及d o h e r t y 技术【l 】等。 ( 1 ) 包络跟踪技术 2 】【3 】。根据射频信号的包络变化来调整放大器的漏极电压， 将信号用功分器分成两路，一路进入功率放大器。另一路输入包络检波器， 将检出的包络输入d c d c 转换器，从而对功率放大器的漏极电压进行控 制。 ( 2 ) 利用非线性元件的线性放大技术【4 1 ( l i n c ) 。根据信号的幅度和相位，将信 号分成两路调相信号，再由非线性的高效率放大器加以放大，最后将两路 信号重新合成。 ( 3 ) d o h e r t y 技术【5 1 。经典d o h e r t y 功率放大器是由w h d o h e r t y 在1 9 3 6 年发 表的论文 5 】中首次提出的，主要应用于当时的短波广播。d o h e r t y 电路包 括一个载波功率放大器和一个峰值功率放大器，信号首先经过功分器分成 两路分别输入载波功率放大器和峰值功率放大器，然后再通过输出合路将 两路信号耦合输出。d o h e r t y 电路的载波功率放大器偏置在a b 类，峰值 2 第一章绪论 功率放大器偏置在c 类。从峰值功率放大器开启到最终两路功率放大器都 以输出最大功率输出的6 d b 区间内，d o h e r t y 电路始终保持高效率输出。 d o h e r t y 技术以其结构简单、成本低廉、性能优良等优点，被广泛的应用于无 限通信系统中，结合数字预失真技术的d o h e r t y 电路结构对提升效率具有很大的实 用意义。 1 3 内容及结构安排 基于“d o h e r t y 功率放大器的设计和实现”，从工程实现的角度研究了d o h e r t y 功率放大器的关键技术，包括功率放大器的匹配、延迟线路、输出合路等。通过 推导d o h e r t y 理论公式，建立了d o h e r t y 电路的实现方案，进行仿真验证，完成了 改进后的d o h e r t y 电路的硬件实现。 论文主要研究功率放大器中的d o h e r t y 技术及其实现，分为功率放大器介绍、 d o h e r t y 技术理论研究、a d s 软件仿真、电路改进及硬件实现四方面的内容。 本章首先对论文的研究背景进行了概述，阐述了功率放大器在无线通信中的 研究现状。 第二章，介绍了功率放大器的分类及各种性能指标。 第三章，对d o h e r t y 技术进行了具体介绍，包括结构、工作方式、公式推导和 改进型d o h e r t y 电路。 第四章，根据设计要求，设计d o h e r t y 功率放大器电路方案，并进行仿真验证。 包括单管功率放大器电路仿真和d o h e r t y 功率放大器性能仿真。仿真结果表明采用 d o h e r t y 技术方案能够明显的提升效率曲线。 第五章，对经典d o h e r t y 电路在实现中出现的问题进行了研究并改进，并对改 进后的d o h e r t y 电路进行了硬件测试。 第六章对全文进行了总结，并指出下一步的工作方向。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 功率放大器分类 第二章射频功率放大器 功率放大器根据工作原理的不同，可分为线性功率放大器和非线性功率放大 器。线性功率放大器主要包括：a 类功率放大器和a b 类功率放大器；非线性功率 放大器主要包括：b 类功率放大器、c 类功率放大器、d 类功率放大器、e 类功率 放大器和f 类功率放大器等【5 】。 根据正弦波输入信号在一个周期内的导通情况，可以将功率放大器分为a 类 功率放大器、a b 类功率放大器、b 类功率放大器和c 类功率放大器。而d 类功 率放大器、e 类功率放大器和f 类功率放大器的输入信号一般为方波，此时功率放 大器通常被等效为受输入信号控制的开关，理论上拥有1 0 0 的漏极效率( d e ) 【7 1 。 本章介绍了a 类、a b 类、b 类、c 类四种主要运用于d o h e r t y 结构设计的功 率放大器。图2 1 给出了四种类别功率放大器不同的工作状态。 煺 羽 肇 赡 图2 1功率放大器工作状态转移图 2 1 2a 类功率放大器 a 类功率放大器的直流偏置点在截止点和饱和点的中点，由此决定了a 类功 率放大器不失真放大的幅值为饱和点电压与截止点电压差值的一半。如图2 2 所 4 第二章射频功率放大器 示，当输入信号幅值在放大区间以内，a 类功率放大器能够不失真的放大整个周 期内的信号；当输入信号幅值超出放大区间范围，则产生失真。 i i l z- - j ， 图2 2 a 类功率放大器工作状态转移图 与a b 类、b 类和c 类功率放大器相比，a 类功率放大器的线性最好，与之 对应的是其效率最差，理论值为5 0 ，但实际使用当中，通常达不到1 0 ，根据 a 类功率放大器的高线性、低效率的特点，其通常应用于小信号放大，音频信号 的高保真放大或者大功率信号前端的驱动级放大。a 类功率放大器不适合搭建 d o h e r t y 电路结构。 2 1 3b 类功率放大器 如图2 3 所示，b 类功率放大器将静态直流偏置点调至到截止点附近，由此决 定了b 类放大器只能放大半个周期的信号，非线性情况与a 类功率放大器相比， 明显加重，但由于其在信号截至时，静态工作点的漏极电流近似为0 ，不消耗电源 能量，使其效率比a 类功率放大器有了显著的提高。 b 类功率放大器效率的理论值约为7 8 5 。虽然效率得到了明显的提升，但由 于其只放大了半个周期的信号，非线性很难纠正，所以在实际大功率信号的放大 中，b 类功率放大器也很少使用。 5 电子科技大学硕士学位论文 堰 雹 丑 舞 图2 。3b 类功率放大器工作状态转移曲线图 2 1 4a b 类功率放大器 a 类功率放大器具有很好的线性但效率太低，因而不适合做大功率信号放大。 b 类功率放大器具有很好的效率但非线性程度不可接受，也不适合做大功率信号的 放大。a b 类功率放大器均衡了a 类和b 类功率放大器的优缺点，有着良好的效 率和可以接受的非线性程度。 图2 - 4a b 类功率放大器工作状态转移图 在现实生活中，a b 类功率放大器常运用于大功率信号的放大。它的理论效率 6 第二章射频功率放大器 介于b 类和a 类功率放大器之间，实际中通常为百分之十几。如图2 4 所示，a b 类功率放大器的直流偏置点位于截止点和截止点与饱和点的中点之间，所以其能 够放大大于半个周期的信号。 工作原理上，a b 类功率放大器产生了一个失真小于半个周期的放大信号，并 不能够做到线性放大，但是由于a b 类功率放大器的输入输出匹配电路，起到了滤 波器的作用，滤除了谐波信号，使有用信号通过，结果就是：不失真的放大了输 入信号，所以a b 类功率放大器也属于线性功率放大器。 2 1 5c 类功率放大器 c 类功率放大器在输入信号的一个周期内只有小于半个周期的输出信号放大， 因而比b 类功率放大器效率更高，非线性失真程度更差。c 类功率放大器和b 类 功率放大器都属于非线性功率放大器，本章加以介绍，是因为这两类功率放大器 运用于d o h e r t y 电路结构中的峰值功率放大器部分。 2 2 主要技术指标 本文将功率放大器的技术指标分成三类进行介绍，基本指标、线性指标和效 率指标。 2 2 1 基本指标 2 2 1 1 工作频率范围 工作频率范围是指功率放大器工作时满足各项指标时的频率范围，通常功率 放大器定义的实际工作频率范围会略大于定义的工作频率范围。 2 2 1 2 功率增益 在输入、输出匹配良好的情况下，功率放大器的输出功率( d b m ) 与输入功率 ( d b m ) 的差值就是功率增益( g a i n ) ，单位为d b 。 2 2 1 3 增益平坦度 增益平坦度( a g ) 定义为：功率放大器的功率增益在工作频率范围内的最大值 7 电子科技大学硕士学位论文 ( g 一) 与最小值( g 商。) 之差。它反映了增益随频率的变化量。例如，要求功率放大 器带内增益波动小于l d b ，是指a g ， 件， ：是。l 、7 i 墨。1 2 1 - i s i ：是。i ( 4 2 ) l 最：1 2 1 0 d b ) ，要保证信号不会在前级驱动放大器 放大的情况下失真，满足信号放大的线性。 从m w 4 i c 2 2 3 0 的数据手册上查到其性能如下： 测试信号2 1 4 0 m h z ，8 5 d b 的p a r 在0 0 1 c c d f 指数下； 平均输出：0 4 w ； 增益：3 1 5 d b ； 4 n 第五章d o h e r t y 电路改进及硬件实现 器件的内配：包括5 0 0 h m 输入匹配，直流隔离，输出阻抗大于5 0 h m 。 m w 4 i c 2 2 3 0 的前级匹配电路和末级匹配电路见附录c 。电路仿真后，电路的 s ( 1 ，1 ) 如图5 - 2 所示：可以看到，在整个工作频带内，m w 4 i c 2 2 3 0 的s ( 1 ，1 ) 近似为 - 2 5 d b ，说明输入匹配电路合适，满足工程要求。 、 勺 、 ，、 = 一 、- 频率( g h z ) 图5 2 m w 4 i c 2 2 3 0 的s ( 1 ，1 ) 仿真图 电路仿真后，电路的s ( 2 ，1 ) 仿真曲线如图5 - 3 所示：s ( 2 ，1 ) 反映了m w 4 i c 2 2 3 0 的增益情况，在工作频带内，m w 4 i c 2 2 3 0 的增益近似为3 0 6 d b ，且平坦度很小， 性能优良。 ，_ 、 它 、- ， ，、 i 一 、- ， l一： | 三 | 1 | 毒 i 三 | 一 ll i 。l i l liililliil-iiiil 2 1 l2 1 2 2 1 32 1 42 1 52 1 62 1 7 频率( g h z ) 图5 3 m w 4 i c 2 2 3 0 的s ( 2 ，1 ) 仿真图 4 1 电子科技大学硕士学位论文 5 2 3 整体电路仿真结果 将驱动级功率放大器电路与末级d o h e r t y 功率放大器电路直接连接。这可能会 产生l 一2 d b 增益的损耗，是由于两级电路不匹配造成的，可以通过优化电路或者 用隔离器相连解决此问题。电路的仿真增益曲线如图5 - 4 所示： 输出功率( d b m ) 图5 4 整体d o h e r t y 电路的增益仿真曲线图 可以看到，整体d o h e r t y 电路的增益约为4 4 5 d b ，最大输出功率点在4 9 d b m ， 额定输出功率点位4 3 d b m 。增益曲线随着输出功率的增大而变大的特性反映了峰 值功率放大器随着输入功率的增大而开启的物理过程。图5 5 所示为仿真所得的整 体d o h e r t y 电路的效率曲线，依然具有理想d o h e r t y 效率曲线的趋势，在额定输出 功率4 3 d b m 下，功率附加效率近似为4 7 ，满足指标要求。 7 0 6 0 荨5 0 辚 曩4 0 莲 基3 0 2 0 1 0 ；|； ：| ：z 嚣主至； ， ? m 1 p o u t24 2 5 0 5d b m p a e = 4 7 1 6 1 iil-iil- 3 23 43 63 84 04 24 44 64 8 5 0 5 2 输出功率( d b m ) 图5 5整体d o h e r t y 电路的功率附加效率仿真曲线图 4 2 第五章d o h e r t y 电路改进及硬件实现 5 3 硬件电路实现及测试 5 3 1 电路实现 在a d s 软件中，将仿真好的驱动功率放大器的电路结构和末级d o h e r t y 电路 结构分别生成l a y o u t 版图，并在l a y o u t 版图下进行修改，打孔等操作，然后导入 a u t o c a d 或a d 6 等画图软件，进行修改后，便可以得到最后的电路板图进行制板。 驱动功率放大器和d o h e r t y 功率放大器的电路实物图见附录d 。 5 3 2 电路测试 本次测试输入信号为9 载波的w c d m a 信号，驱动功率放大器的三级偏置电 压分别是：4 0 3 v ，3 9 0 v ，3 7 0 v ，漏极电流为0 3 4 a ；末级d o h e r t y 电路的载波功 率放大器的偏置电压为3 0 0 v ，峰值功率放大器为1 8 9 v 总的漏极电流为0 6 6 a 。 分别对整体电路的增益、功率附加效率和邻近信道泄露比三个参数指标进行了测 试。测试平台见附录e 。 整体d o h e r t y 电路增益测试结果曲线如图5 - 6 所示， 、 已 辋 磐 图5 - 6实测整体d o h e r t y 电路的增益曲线 在输出功率范围内，增益基本保持在4 4 d b 左右。整体电路在输出功率4 5 d b m 时提前饱和，这是由于采用了不对称结构，使电路线性变差的缘故。可以采用数 字预失真电路对其进行纠正。 4 3 电子科技大学硕士学位论文 整体d o h e r t y 功率附加效率实测结果如图5 - 7 所示，在额定输出功率4 0 d b m 下，放大器的功率附加效率达到3 0 。 摹 褥 较 口 - f 之 菠 诗 雷 输出功率( d b m ) 图5 - 7实测整体d o h e r t y 电路的功率附加效率曲线 整体d o h e r t y 电路的邻近信道功率泄露比( a c l r ) 如图5 8 所示：在额定输出 功率4 0 d b m 下，上、下两个信道间隔载波+ 5 m h z 下的a c l r 约为一3 0 d b c 。 谷 已 丑 魑 裁 褥 雷 测 迎里 斛 骖 输出功率( d b m ) 图5 8 实测整体d o h e r t y 电路的邻近信道功率泄露比曲线 由图5 6 、图5 7 和图5 8 可以看出，实际测试结果比仿真电路的性能有所下 降，这主要是由于仿真链路平台不可能完全模拟实际电路情况造成的。实际电路 达到了在输出功率1 0 w ( 4 0 d b m ) ，增益为4 4 d b ，效率为3 0 的性能，相对于通常 效率只有1 0 左右的a b 类功率放大器，效率性能得到了很大的提高。 第五章d o h e r t y 电路改进及硬件实现 5 4 本章小结 首先对d o h e r t y 电路仿真中出现的问题，即载波功率放大器最大功率输出时， 峰值功率放大器还远未到达最大功率输出进行了分析，并给出了解决方案，即采 用不对称d o h e r t y 电路结构。仿真结果表明，不对称d o h e r t y 电路结构可以改善这 一问题。 其次完成了整体d o h e r t y 电路的仿真，这其中包括：驱动功率放大器的设计和 末级不对称d o h e r t y 电路的设计。仿真结果表明，增益和效率指标良好，满足仿真 设计要求。 最后对电路进行了硬件实现，输入9 载波的w c d m a 信号，通过仪器测试增 益、效率和邻近信道功率比等指标，得出了最终符合使用要求的产品。 4 5 电子科技大学硕士学位论文 6 1 本文总结及主要贡献 第六章结束语 随着3 g 时代的来临，线性功率放大器在基站中的重要性越来越大，效率将成 为衡量功率放大器好坏的关键指标之一。随着网络的大规模建设，高效率线性功 率放大器的需求将大幅上升。 本文主要讨论了d o h e r t y 功率放大器的关键技术，并将其应用于a d s 仿真、 硬件实现，并对其硬件实现进行了测试。总结全文，本文主要工作如下： ( 1 ) 基于工程角度，在a d s 仿真平台上进行了d o h e r t y 理论的验证，对a d s 仿真中出现的两个问题，即回灌问题和两路功率放大器未能同时到达l d b 压缩点的问题，提出了通过延迟线路和不对称结构进行改进的方法，并给 予理论解释，通过仿真验证解释的合理性。 ( 2 ) 比较了改进型d o h e r t y 电路的方案，通过仿真验证了其合理性。完成了不 对称d o h e r t y 电路的实现，包括驱动级功率放大器，d o h e r t y 功率放大器， 并对硬件实现进行了增益、漏极效率及邻近信道泄露比的测试评估，测试 结果满足了指标要求。 6 2 下一步工作的建议 本文以d o h e r t y 功率放大器研究对象，分析了其关键技术，在a d s 软件平台 上，设计和仿真了经典d o h e r t y 和改进型d o h e r t y 电路方案，进行了硬件实现，并 经过测试，验证其性能满足要求。 对于本文研究的d o h e r t y 功率放大器技术及其实现，以下问题有待进一步研究 和完善： ( 1 ) 不等分d o h e r t y 功率放大器和三路d o h e r t y 功率放大器的硬件电路提升效 率的情况。由于时间的原因，未能对这两种改进型d o h e r t y 电路进行硬件 实现即测试，这是下一步将要进行的工作。 第六章结束语 ( 2 ) 将d o h e r t y 功率放大器和线性化技术配合使用，例如数字预失真技术。本 文研究主要侧重于提高功率放大器的效率，对非线性指标没有过多的关 注，数字预失真技术可以极大改善d o h e r t y 功率放大器的线性度指标，这 将是本课题的下一步研究方向。 4 7 电子科技大学硕士学位论文 致谢 在论文完成之际，我首先要衷心的感谢我的导师唐友喜教授，在三年的研究 生学习生活中，唐老师不仅给予了我难得的科研历练机会，并在研究方法、文档 写作方面给予了很大的帮助，而且对我正确的人生观、价值观的树立给予悉心的 指导。唐老师传授的那种积极的做人态度、务实的做事原则将会是我一生中的宝 贵财富。在此，我再次向恩师表示最真诚的感谢! 回顾近二十年的学生生活，我要感谢我的父母，是他们在我的学海生涯中， 默默的支持，无私的奉献，几乎给予了我精神和物质上的一切帮助，是他们给予 了我现在的所有，成就了我的学生时代。在此，我要感谢父母为我所作的一切， 祝他们身体健康。 此外，本人在电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室攻读硕士学位 期间得到了老师和同学们的指导和帮助。师兄刘田博士、彭祖国硕士在诸多具体 的研究问题上给予过我指导和帮助。古人云：三人行必有我师焉。黄名馥的综合 素质、何兴建的自律、王小凡的科研能力、韩亮的数学才华、都给我留下了深刻 的印象，他们也是我人生中的老师。感谢他们给予我三年丰富多彩的研究生活。 最后，向所有对本论文提出过宝贵意见的同行专家、老师和同学，以及将要 评审该论文的专家们表达我最诚挚的谢意! 参考文献 【l 】 【2 】 3 【4 】 【5 】 6 】 7 】 8 】 9 】 【1 0 】 11 】 【1 2 】 【1 3 【1 4 】 1 5 【1 6 】 参考文献 b u m m a n k i m ，j a n g h e o n k i m ，i l d u k i m ，j e o n g h y e o n c h a t h ed o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r m i c r o w a v em a g a z i n ei e e e 2 0 0 6 p p ：4 2 5 0 g h a n n i g t o n ，e e c h e n ，v r a d i s i c ，t i t o h e t a m i c r o w a v ep o w e ra m p l i f i e re f f i c i e n c y i m p r o v e m e n t w i t ha10m h zh b td c d cc o n v e r t e r m i c r o w a v es y m p o s i u md i q e s t ，i e e e m t t - s i n t e r n a t i o n a l 1 9 9 8 p p ：5 8 9 5 9 2 h e n r i h a r j u ，t i m o r a u t i o ，s i m o h i e t a k a n g a s ，t i m o r a h k o n e n e n v e l o p et r a c k i n gp o w e r a m p l i f i e rw i t hp r e d i s t o r t i o nl i n e f f r i z a t i o n c i r c u i tt h e o r ya n dd e s i g n1 8 。o ne u r o p e a n c o n f e r e n c e 2 0 0 7 p p ：3 8 8 3 9 1 l s u n d s t r o m s p e c t r a ls e n s i t i v i t y o fl i n c 仃a n s m i r e r st o q u a d r a t u r em o d u l a t o r m i s a l i g n m e n t s v r e h i c u l a rt e c h n o l o g y i e e et r a n s c a t i o n so i lv o l u m e4 9 2 0 0 0 p p ： 1 4 7 4 1 4 8 7 w h d o h e r