不对称Doberty功率放大器

ADS 不对称不对称 Doherty 功率放大器设计仿真功率放大器设计仿真 更新于2012 04 10 12 43 23 文章出处 互联网 ADS 平台 不对称 Doherty 功率放大器 仿真设计 对于现代无线通信系统 多载波 宽带 高传输速率已经成为其发展的方向 随着频谱资源的日益紧张 为了在 有限的带宽内传输更多的数据 在 WCDMA 系统中采用 BPSK 和 QPSK 等非线性调制方式 系统的瞬时传输功率产生较 高的峰均比 功率放大器需要通过较大的功率回退的方式来满足系统对线性度的要求 目前 WCDMA 基站或直放站中 的功率放大器是最主要的功耗单元 为了满足系统线性度的要求通常偏置在 A 类和 AB 类 效率都比较低 一般在 8 15 因此 研究设计线性高效的射频功率放大器成为功率放大器研究领域的一个热门课题 Doberty 结构的功率 放大器以其效率高 实现方法简单 成本低廉等优点引起了人们越来越多的关注和研究 本文基于 ADS 仿真平台 在 深入研究分析 Doherty 结构的工作原理和优缺点的基础上 设计了一款满足 WCDMA 基站性能要求的不对称 Doberty 功率放大器 1 不对称 Doberty 功率放大器的基本理论 1 1 传统 Doberty 功率放大器的工作原理 传统 Doberty 功率放大器的结构示意图如图1所示 它一般由载波放大器 Carrier Amplifier 和峰值放大器 PeakingAmplifier 并行连接组成 其中载波放大器一般偏置在 AB 类工作模式 输出端串联一个微带线起阻抗变换 的作用 峰值放大器一般偏置在 C 类工作模式 输入匹配网络前端附加的微带线起到相位平衡的效果 图1 传统 Doberty 功率放大器的结构示意图 由图1可以看出 传统 Doberty 结构的功率放大器有两种工作状态 低输出功率状态 图1中的有斜条纹 和高输 出功率状态 图1中的无斜条纹 在高输出功率状态 理想情况下2个放大器的输出电流大小相等 载波放大器和峰值 放大器产生相等的输出功事 这时载波放大器和峰值放大器的负载阻抗都为 R0 通常情况下 R0 50 在低输出功率状 态 峰值放大器截止不工作 只有载波放大器导通工作 理论上此时的峰值放大器的输出阻抗趋于无穷大 峰值放大 器对负载网络阻抗的影响可以忽略 载波放大器输出端的负载阻抗通过特性阻抗为的 R0的 4微带线将的 R0 2变换到 2R0 这样可以实现在低输出功率状态下高的负载阻抗达到效率的提高 此时载波放大器的饱和输出功率要比总的峰值 输出功率小4倍 即传统 Doherty 功率放大器在低输出功率区域的饱和输出功率要比峰值饱和输出功事低6 dB 从而实现 了提前饱和的目的 提高功率回退时的效率 1 2 不对称 Doherty 功率放大器的基本理论 传统 Doherty 结构的功率放大器 载波放大器偏置在 AB 类 而峰值放大器一般偏置在 C 类 当输入的信号相同 峰值放大器的电流必然低于载波放大器的电流 在输出功率饱和时由于两个放大器的输出电压相等 峰值放大器的输 出功率必然小于载波放大器的输出功率 这与理想的情况不同 根据有源负载牵引理论 当峰值放大器的电流没有达 到理想值时 必然导致峰值放大器对载波放大器的牵引不足 使得载波放大器的输出阻抗在从高阻100 向50 的低 阻抗变化过程中 没有牵引到50 最终影响到 Doherty 功率放大器的性能 不对称 Doherty 功率放大器是在传统 Doherty 功率放大器的基础上做的改进 一般有不对称功率驱动和不同的功率放大器管这两种实现方法 和采用不同的 功率放大器管这种实现方法相比 不对称功率驱动的方案在结构上要相对简单 容易实现 对于不对称 Doherty 功率 放大器 在低输出功率状态 载波放大器偏置在 AB 类 峰值放大器截止 功率放大器的线性度主要取决于载波放大器 在高输出功率状态 不对称 Doherty 功率放大器的线性度可以通过调节两个功率放大器管的栅极偏置优化 IMD3性能 因此在设计中 可以不断的调节载波放大器和峰值放大器的输人功率分配比和栅极偏置电压 使得设计的不对称功率 放大器性能最佳 在下面的章节中 基于 ADS 仿真平台 选用飞思卡尔的 MRF6S21140H 功放管设计了一款工作在 2 14 GHz 频段 WCDMA 基站的不对称功率驱动的 Doherty 功率放大器 2 不对称 Doherty 功率放大器的仿真设计 在仿真设计中 利用 ADS 平台可以很好的简化设计步骤 缩短研发周期 仿真设计中所用到的 MRF6S21140H 功 放管模型是由飞思卡尔提供的一种半经验模型 仿真设计中通过对晶体管直流偏置和稳定性的仿真分析 确定了晶体 管的静态工作点和稳定状态 利用 ADS 中的负载牵引和源牵引仿真得到晶体管一簇不同阻抗值的等功率圆和等效率圆 分析得到适用于不对称 Doherty 功率放大器的最佳阻抗值 同时在偏置电路中应用优化阻抗法较好地降低了电记忆效 应 通过在匹配网络中综合考虑补偿网络的设计思想 设计补偿线 更有效的抑制了不对称 Doherty 功率放大器的功 率泄露 提高了输出效率 在完成不对称 Doherty 功率放大器的各个模块的仿真设计后 调整输入端微带线使得载波 放大器和峰值放大器两条支路输出信号的相位对齐 并通过原理图 版图联合仿真优化设计的不对称功率放大器的性能 提高了仿真的精确度 缩小仿真和实际应用的差距 同时对比在不同的输入端功分器的功率分配比例和栅极偏置电压 的仿真结果 发现当载波放大器的栅极偏置电压为2 84V 峰值放大器的栅极偏置电压为0 85V 漏极偏置电压为28V 时 输入端功分器的功率分配比为1 2 3的不对称 Doherty 功率放大器的性能最佳 图2为1 2 3不对称功率驱动的 Doherty 功率放大器与 AB 类平衡功率放大器的功率附加效率 PAE 比较曲线图 从图2可以看出 峰值饱和输出功率约为 55 8dBm 因此不对称结构能改善由于峰值放大器对载波放大器牵引不足导致的失配问题 使得蜂值饱和输出功率较为 理想 当从峰值输出功率回退11 8dB 时 即输出功率为44dBm 仿真得到的1 2 3不对称功率驱动的 Doherty 功率放大 器 PAE 为24 21 AB 类平衡功率放大器的 PAE 为15 63 因此1 2 3不对称功率驱动的 Doherty 功率放大器比 AB 类平 衡功率放大器的 PAE 提高了8 58 图2 不对称 Doherty 功放与 AB 类平衡功放的 PAE 比较曲线图 分析图3的不对称功率驱动的 Doherty 功率放大器与 AB 类平衡功率放大器的三阶互调失真 IMD3 比较曲线图可 以发现 设计的1 2 3不对称功率驱动的 Doherty 功率放大器的线性度较为理想 当输出功率为43 dBm 时 1 2 3不对 称功率驱动的 Doherty 功率放大器的 IMD3为 42 24 dBc AB 类平衡功率放大器的 IMD3为 36 61 dBc 1 2 3不对称功率 驱动的 Doherty 功率放大器在 IMD3指标上改善了5 63dBc 当输出功率为44 dBm 时 1 2 3不对称功率驱动的 Doherty 功率放大器的 IMD3为 44 46dBc AB 类平衡功率放大器的 IMD3为 37 48dBc 1 2 3不对称功率驱动的 Doherty 功率放大 器在 IMD3指标上改善了6 98dBc 图3 不对称 Doherty 功放与 AB 类平衡功放的 IMD3比较曲线图 对比上述的仿真结果可以看出 对比结果如表1所示 采用1 2 3不对称功率驱动的 Doherty 功事放大器能够很好 的实现高线性和高效率的良好折中 设计出的功率放大器的仿真结果性能良好 和目前在实际中常采用的 AB 类平衡功 率放大器相比在高线性度的要求下效率上有很大的提高 表1 性能比较 3 结束语 为了适应现代无线通信系统中对功率放大器提出的高效率高线性度的要求 本文基于 ADS 仿真平台 采用飞恩卡 尔的 MRF6S21140H 功放管设计出一款适合于2 14 GHz 频段 WCDMA 基站的不对称功率驱动的 Doherty 功率放大器 仿真结果表明设计的1 2 3不对称功率驱动的 Doherty 功率放大器在载波放大器的栅极偏置电压为2 84 V 峰值放大器的 栅极偏置电压为0 85 V 且漏极偏置电压都为28 V 时