[硕士论文精品]cdma基站微波功率放大器的研究和设计——doherty功放的设计

摘要摘要随着信息通讯技术的飞速发展，运营商之间的竞争越来越激烈。运营商对于基站的效率问题越来越重视。如何提高基站发射功率机的效率问题是我们匾待解决的一个课题。国内制造商大多数采用末级放大管为DOHERTY功率管的数字预失真功率放大器的方式，国外制造商比较成熟的技术是采用末级放大器管为DOHERTY功放管的前馈式功率放大器。本论文重点讨论末级放大管采用DOHERTY的前馈式功率放大器来提高基站效率。前馈功率放大器是功率输出的时候对信号进行修正的功率放大的方案，它主要是由主路和辅路组成，在信号输入口辅路的信号做一定的时延的处理，从耦合器耦合出的信号经过主路的功放管放大之后，经由耦合器耦合一部分信号，再经过调整电路做相位和时延的调整，然后把主路放大输出的信号和辅路延迟后的信号做对消。前馈放大器的技术优点是保证输出信号的三阶交调结果优于其它方式，同时功放的效率也得到提高。DOHERTY功放管由2个功放组成一个主功放，一个辅助功放，主功放工作在B类，辅助功放工作在C类。在本文中根据实际的功率、增益、三阶交调等指标需要选用飞思卡尔公司的MF9045N作为DOHERTY功放管的两个功放。论文首先依据DOHERTY功放管的功率、效率以及输出匹配这几个关键指标，对DOHERTY功率放大器进行了系统的优化设计并做了全面的仿真，然后根据仿真的结果做出实际的DOHERTY功放电路。实际测试结果与仿真结果一致，达到预期目的。在分合路器方面本论文采用了按需定制功率的分、合路方式。大功率的功率放大器是需要一些数量的DOHERTY功放管组合才能达到预期的功率的，分、合路器就起到在信号输入的时候分配信号给各个功放管，在信号输出的时候，合成功率放大器输出信号。大多数厂家是采用3DB桥做合分路器的，这样不能随时控制功放的输出功率，而本文采用的按需定制功率的技术是基于微带技术的一个合分路开关，最大的优势是可以很好地控制输入输出的功率，实现功率按需配置，从而达到提高效率的目的。对这个电路也做了仿真和实际的测试。测试结果表明，本论文设计的DOHERTY前馈式功率放大器和传统的B类功放相比可提高5左右的功率效率。ABSTRACTABSTRACTFEEDFORWARDISACORRECTIONSCHEMETHATTAKESPLACEONTHEOUTPUTOFANAMPLIFIERTHEREALETWOPATHSFORANRFSIGNALTOTAKEFROMTHEINPUTPORTOFTHEPA，ERRORLINEUPANDMAINLINEUPTHEINPUTSIGNALTOTHEERRORLINEUPISDELAYED,ANAMOUNTEQUIVALENTTOTHEDELAYTHROUGHTHEMAINLINEUP，ANDTHENCOMPAREDWITHASAMPLEOFTHEOUTPUTOFTHEMAINLINEUPITIFTHEREISNOGAINORPHASEDISTORTIONTHENTHECOMPARISONOUTPUTWILLBEZEROIFANYPHASEORGAINDISTORTIONOC圮ULSTHENTHEREWILLBEANERRORRFSIGNALFROMTHECOMPARISONCIRCUITRYDOHERTYAMPLIFIERDESIGNUTILIZESTRADITIONALMETHODSBUTREQUIRESTHEMANAGEMENTOFADDITIONALCONSTRAINTSTHESECONSTRAINTSAREDEVICESPECIFICANDMAYNOTBEINDEPENDENTTHEREARETHREEDOHERTYSPECIFICDESIGNTASKMAXIMIZETHEPEAKINGAMPLIFIER“OFFSTATEOUTPUTIMPEDANCE2SYTHESIZETHEDOHERTYLOADTRANSFORMATIONCIRCUITFOROPTIMALCARRIERAMPLIFIERCURRENTSOUSECAPABILITYADJUSTPEAKINGAMPLIFIERBIASVOLTAGEANDOUTPUTMATCHFORTHEBESTLINEARLYGAINTRADEOFFDEVELOPANINPUTANDOUTPUTMATCHMATCHCARRIERANDPEAKINGAMPLIFIEROUTPUTSFORBESTLINEARTRANSFERFUNCTIONLDMOSAMPLIFIERSREQUIREASHUNTLOUTPUTIMPEDANCEHIGH,MINIMIZETHENUMBEROFOUTPUTSHUNTMATCHINGELEMENTSTHEDOHERTYCONFIGURATIONEFFICIENCYATTHETRANSITIONVOLTAGESHOULDBEDOUBLETHEEQUIVALENTPARALLELAMPLIFIERGOODEFFICIENCYREQUIRESDEVICESWITHLOWRDSONEFFICIENCYATTHETRANSITIONVOLTAGEIMPROVESBYREDUCINGVGP，BUTTRADESOFFLINEARITYANDORGAILLMATCHCARRIERANDPEAKINGAMPLIFIERFORNOMINALCLASSBPERFORMANCEMEASUREPEAKINGAMPLIFIER“OFFSTATE”IMPEDANCEANDDETERMINELENGTHIFPHASINGLINESELECTALPHAFACTORDETERMINECURRENTSOURCECAPABNITYDEVDOPLOADTRANSFORMATIONCIRCUITADJUSTMATCHINGCIRCUITS,PHASINGLINELENGTH,ANDINSERTIONPHASETOPRODUCEBESTCOMBINATIONOFLINEARITY,GAIN,BANDWIDTHANDEFFICIENCYKEYWORDSDOHERTY，FEEDFORWARD，CARRIERANDPEAKINGAMPLIFIER,EFFICIENCY,LINEARITY学位论文独创性声明本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名J壁虹日期叫授权使用声明本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。学位论文作者签名1易香导师签名吼叫魄第一章绪论第一章绪论通信系统中的功率放大器是用于发射机的末端，它的作用是将射频信号以调波的信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。衡量射频功率放大器的主要技术指标有输出功率、效率、功率增益、带宽和三阶交调或信号失真度等。这几项指标要求是互相制约的。在设计放大器时要根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。线性功放在微波基站中的成本比例大概有13左右，如何有效率地、以较低成本解决功放的线性度和效率问题是一项很重要的课题。其中如果能在原有的或者降低成本基础上，优化出高效率的功率放大器，那必然是一个具有重要意义的课题。所以，展开对前馈功率放大器的效率的研究工作是具有重要意义的课题的。功放的效率高低与放大器的工作状态有直接的关系。提高微波功放的效率，目前常用的方法有功率预失真法、回退法、反馈法和前馈法。预失真法又可分为基带预失真、中频预失真和射频预失真这三种预失真的方法。基带预失真即采用DSP技术来修正信号的失真，目前被广泛地研究。功率回退法是以牺牲功放的效率为代价，一般在对效率和线性度要求不高的情况下使用。反馈法由于其自身带宽的限制，在宽带移动通信中使用较少。在线性度方面，前馈结构是当前比较成熟的结构，大量运用于现代通信系统中。因此论文选取了具有良好性能的前馈法，采用了简单的双环路抵消的电路，使功放的线性度和效率达到理想的指标。11射频功率放大器的分类射频功率放大器按照工作频带的宽窄划分为窄带射频功率放大器和宽带射频功率放大器两种，窄带射频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为谐振功率放大器；宽带射频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，F3】因此又称为非调谐功率放大器。第一章绪论射频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为射频交流输出。放大器按照电流导通角的不同，可以分为A、B、C三类工作状态。A类放大器电流的流通角为360度，适用于小信号低功率放大。B类放大器电流的流通角约等于180度；C类放大器电流的流通角则小于180度。B类和C类都适用于大功率工作。【4】C类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。射频功率放大器大多工作于C类。但C类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。12功放管的选用与效率的概念最末级的功率放大管的发展，是随着微波晶体管的发展而发展的。从六十年代中期开始，双极性晶体管开始用于微波频率，出现了微波双极晶体管功率放大器。紧接着又出现了微波金属半导体场效应晶体管，【5L在七十年代中期，微波双极晶体管功率放大器，3GHZ以上采用微波金属半导体场效应管。随着大容量的数字微波通信技术的迅速发展，又出现了用于A类功放工作的微波双极晶体管功率放大器。而金属半导体场效应管的线性与频率特性要比微波双极性晶体管好，线性功率已经大于10瓦。随着微波电路CAD技术的广泛应用，从七十年代末开始，用于数字微波通信的晶体管放大器大多数采用金属半导体功率放大器了。F6】进入九十年代以来LDMOS管以其更好的线性度，更好的集成特性，更强的耐压，被广泛使用于微波功率放大器上。因此，本论文着重研究LDMOS管的A类和C类功放管所组成的DOHERTY放大器的效率问题。效率对于移动通信的发射机是极为重要的指标，功率放大器的效率有两种定义方法。一是称为集电极效率RLC，它是输出功率POUT与电源供给功率PDC之比，即TLCPOUTPDC这种定义没有考虑放大器的功率增益，另一种称为功率增加效率POWERADDEDEFFICIENCY，PAE它定义为输出功率POUT与输入功率PIN的差与电源供给功率PDC之比。NPAEPAEPOUTPINPDCI1APNC功率增加效率PAE的定义中包含了功率增益的因素，当有比较大的功率增益时，POUTPIN，此时有RLCPAE。如何保证高的效率和大的功率是本论文重点讨论的问题。2第一章绪论13功率放大器的发展现状CD姒的功率放大器的设计在国内已经比较普遍了。但是大功率的功率放大器由于对线性度的要求更高，所以只有少数公司掌握这种大功率的设计的方法。目前国内能生产10W以上的CDMA功率放大器厂家也只有少数几家公司，而且国内的制造厂商主要采用的是预失真放大电路。国外的公司主要是采用前馈式功率放大电路。预失真电路里面有数字基带预失真，射频预失真等类型。【7】前馈放大电路一般只采用在射频功放管耦合信号之后做对消的方式，前馈放大电路主要要解决时延和相位的一致性。所以，相对预失真电路，前馈式大功率放大器的设计在九十年代就比较成熟了。网近年来，由于半导体技术的不断进步，前馈式功率放大电路与末级采用DOHERTY功放管的方式得到了制造J商的青睐。在这样的大的环境下，以提高大功率放大器的效率为丰的DOHERTY功放管的研究和开发得到了迅速的发展。14论文的研究内容和特色本论文主要研究的是前馈式功率放大器的DOHERTY功放管及按需定制功率的电路设计的研究与开发。论文详细描述了设计DOHERTY功放管的放大电路以及按需定制功率的电路。按照CDMA系统指标要求需要3组DOHERTY合成输出60瓦的总功率。论文选取输出总功率为90瓦的两个MRF9045N单管来搭建DOHERTY功放管的电路。器件选取之后，论文针对DOHERTY功放管的理论设计方面做了详细的介绍。论文侧重于如何做关键指标的仿真以及对仿真结果的分析。在仿真的结果不符合设计指标的时候，如何做优化处理也进行了详细的描述。论文对按需分配功率电路的特点及电路的构成也做了具体的分析。现在大多数厂家在处理3组功放管的分路和合路的时候，多采用3DB电桥直接分路、合路。这样的构成形式电路虽然简单，但是3DB电桥的固有损耗比较大，一般在4DB左右。导致实际输出的总功率也跟着增加。那么为了达到总的输出功率的要求，每组DOHERTY功放管就要输出比原来大L2DBM才能满足系统总功率的要求。而这样的结果就导致实际消耗的电流更大了，从而功放的效率就降低了。另外，这样的合成电3第一章绪论路，不能按照实际话务量的多、少来调节输出功率的大小。本论文设计的合分路电路是直接利用入4微带线的组合，搭建3路输入输出的功率合、分路器。这样的合、分路器优点就在于可以根据实际话务量的多、少而灵活的安排相应的功放管组的开和关，而不必让3组功放管一直处于满功率输出的工作状态。通过这样既简单又有效的电路设计，达到了提高整体功放效率的目的。15论文的章节安排第一章绪论介绍了提高功放的效率在现今经济环境下的重要性，接着列举国内外制造厂商为提高功率放大器的效率所采取的各种放大电路的不同电路类型。第二章主要介绍了前馈式功率放大电路的基本构成。详细讲述前馈电路的工作原理，以及前馈电路的关键指标。如何按照整体指标选择具体的功放管，并由此引出DOHERTY功率放大管。第三章详细描述了DOHERTY功放管的基本原理。第四章功放管的设计。通过大量的仿真，着重在功率，增益，效率和输出匹配上做了优化设计。经过优化仿真结果，得到理想的匹配电路。第五章分、合路电路上的按需定制功率电路的设计。功放总的输出功率有60瓦，一组DOHERTY功放管只能输出22瓦的功率。第六章实际测试结果和分析。按照仿真的数据来搭建实际电路而得到的测试结果。其中增益，功率，ACPR和效率是测试的重点项目第七章论文的总结与展望。提出了进一步可以优化的方向和下一步的展望。从以上几个章节的论述与说明，论文利用最后的篇幅总结了整个设计的构思和设计方法，然后通过怎样的方式去实现设计理念。最终归结为功放效率的提高是由于采用了前馈式功放电路和DOHERTY末级功放管的设计。合、分路器的巧妙设计也对效率的提高起到了很大的作用。4第二章前馈式功率放大电路的基本原理第二章前馈式功率放大电路的基本原理前馈式功率放大电路的基本原理。在各种功率放大电路的种类中，前馈式功率放大电路的优点是显而易见的。它的的主要优点是配置简单、容易介入、技术成熟、容易实现、线性度较高。91这个电路主要是两个环路加上一个调整电路而构成的。它是一种在功率放大器功率输出的时候对信号进行修正的功率放大的方案。前馈式功率放大电路主路和辅路的时延、相位在两路对消的时候需要一致。因此，在主路和辅路的电路中，加入了调节时延和相位调整的电路以保证在主路与辅路第一次对消的时候可以做到相位、时延一致，对消的比较干净。相位调整电路是辅助调整由主路耦合过来的信号的相位和增益，同样也是保证在对消信号的时候，使得信号对的时延，相位和增益一致。第一次对消之后的信号，经过辅路的放大之后，再与主路放大出来的信号做对消，这样，由三阶互调产生的交调干扰信号就可以控制在比较低的范围之内了。21功率放大器的主要的设计框图1鲥钿HPH跨1鲥图IICD撇功率放大器的基本框图5第二章前馈式功率放大电路的基本原理射频信号在射频输出口被分成两路，即主路和辅路。辅路的信号，在信号输入口做一定的时延的处理。这样做的目的是保证辅路和主路从信号输入到信号的输出的总的时延是相等的。这点对主辅路在对消信号时，信号对消的是否干净非常重要。接下来，辅路的信号经过15W的一个驱动放大管的放大，再与经过时延和相位调整电路调整的主路信号做对消。再经过两级放大耦合输出输出端。再看主路的信号，从耦合器耦合出的信号经过丰路的功放管放大之后，一部分信号通过放大管直接经由环形器输出，另一部分的信号经由耦合器耦合出一部分信号，再经过调整电路相位和时延的调整，然后把主路放大输出的信号和辅路延迟后的信号作比较也就是做对消。如果主路出来的信号在相位，增益没有失真的话，那么对消之后的输出应该是等于零的。如果比较下来信号的相位或者增益有失真，那么对消之后，剩余的残余的信号就进入辅路，残余信号经过辅路的放大之后再与经过时延之后的主路信号做对消，然后对消后的信号就是我们需要的线性度很好的放大信号。22前馈式功率放大器的电路分析从前馈式功率放大器的结构图中可以看出，主路的末级功率放大管由于增益高、功率大，导致主路功放的指标的好坏，决定了整个功率放大电路的指标的好坏。主路的指标丰要看输出功率，增益和临近信道功率比ACPR。辅路的功放电路主要是做对消的工作，功率不是很大一般是输出2瓦左右。所以，辅路的末级功放管没有采用DOHERTY管，只是采用一般匹配的AB类功放管。辅路功放管的关键指标是功放管的PIDB，PIDB越高说明功放管输出线性信号的能力越强，信号在经过削峰处理之后的调制信号的线性度就越好，与丰路的对消能力就越大。辅路PIDB的大小决定了辅路的对消能力的强弱。调整电路在前馈式放大电路中主要是起到调整丰路耦合出来的信号的增益和相位的，以保证主路耦合信号在与辅路信号对消的时候可以把三阶交调产生的互调信号抵消的更加干净。调整电路的丰要指标就是相位和时延。在前馈式功率放大电路中，几个主要指标，功率、增益、的结果都可以达到比较好的预期。但是在提高效6第二章前馈式功率放大电路的基本原理率这个方面，还需要在主路的末级功放管上做进一步的优化设计。优化主路功放管的效率，尤其是主路的最后一级功放管组，采用DOHERTY功放管组是解决功率放大器的效率的很好的方法。通过DOHERTY管的输出匹配电路的优化，以及功放管组的合分路电路的改进，这样就可以更好的提高功率放大器的效率了。23前馈电路末级管的引入和设计指标前馈放大电路丰路中的末级功放管是我们要设计的重点。下面就简略地介绍末级功放管DOHERTY功放的一些基本设计思路。当射频信号进入功率放大器，信号分成两路。一路是主路，一路是辅路。主路的信号经过驱动放大，再经过增益，相位的调整电路，进入DOHERTY功率放大的管子。信号经过放大之后又分成两部分，一部分通过30DB的耦合经由调整电路，再经由LODB的耦合器与辅路过来的信号进行对消。主路的另一部分信号经由环形器和时延与辅路出来的未能完全对消干净的信号再次耦合，经由滤波器输出最终的射频信号。完成信号的放大。在一系列的放大过程中本论文主要的关注点就是末级功放管，DOHERTY功率放大器的研究。根据整个CDMA基站的系统的要求，本功放由三组DOHERTY管组成的功率放大器的总额定输出功率为60瓦，每组DOHERTY的功率组输出功率为22瓦。输出增益50DB，工作频率746MHZ763MHZ作为设计指标要求。论文主要研究的是一组DOHERTY功率放大组为模型的设计原理。要设计DOHERTY功率放大器，首先应该选择元器件，然后选择合适的静态工作点，再设置偏置电路。接着进行阻抗匹配，最后再设计90。的合路器把主辅功率放大电路合成。根据系统指标要求，首先选定功率放大器。射频功率放大器丰要选用飞思卡尔公司的LDMOS管，其质量稳定市场占有率很高，而LDMOS器件也特别适用于CDMA这种宽频率范围、高线性度和寿命使用高的调制方式的应用。另外，由于总的放大器的输出增益要达到50DB，所以选用多级功率放大器。因为DOHERTY功率放大器的最高效率是在大约回退6DB的时候达到，所以选择功率放大器为两个飞思卡尔的平均7第二章前馈式功率放大电路的基本原理功率是45瓦管子MRF9045N回退6DB之后，输出功率是22瓦24本章小结本章主要介绍了前馈式功率放大器的主要框图和工作原理。对前馈式功放电路的特点做了详尽的描述。前馈放大电路在三阶交调方面的对消特点也做了具体分析。本章最后一节，在介绍前馈电路的基础上引出末级DOHERTY功放管的总体技术要求，为下一章详细描述DOHERTY功放管的设计做了铺垫。第三章DOHMY功率放大电路的基本原理第三章DOHERTY功率放大器的基本原理31DOHERTY功率放大器的概述DOHERTY结构由2个功放组成一个主功放，一个辅助功放，主功放工作在AB类或者B类，辅助功放工作在C类。两个功放不是轮流工作，而是主功放一直工作，辅助功放到设定的峰值才工作这个功放也叫作PEAKAMPLIFIER功放后面的90。四分之一波长线是阻抗变换，目的是在辅助功放工作时，起到将主功放的视在阻抗减小的作用，保证主功放工作的时候和后面的电路组成的有源负载阻抗变低，这样主功放输出电流就变大。由于主功放后面有了四分之一波长线，为了使两个功放输出同相，在辅助功放前面也需要90。相移。主功放工作在B类，当输入信号比较小的时候，只有主功放处于工作状态；当管子的输出电压达到峰值饱和点时，理论上的效率能达到785。如果这时候将输入信号加大一倍，那么，管子在达到峰值的一半时就出现饱和了，效率也达到最大的785，此时辅助功放也开始与主放大器一起工作C类，门限设置为输入信号电压的一半。辅助功放的引入，使得从主功放的角度看，负载减小了，因为辅助功放对负载的作用相当于串连了一个负阻抗，所以，即使主功放的输出电压饱和恒定，但输出功率因为负载的减小却持续增大流过负载的电流变大了。当达到激励的峰值时，辅助功放也达到了自己效率的最大点，这样两个功放合在一起的效率就远远高于单个B类功放的效率。单个B类功放的最大效率785出现在峰值处，现在785的效率在峰值的一半就出现了。所以这种系统结构能达到很高的效率每个放大器均达到最大的输出效率。32DOHERTY功率放大器的理论基础321DOHERTY功率放大器内部原理概述由于放大器只是一个能量转化器，它将直流电源的能量转变为交流能量一部分9第三章DOHMY功率放大电路的基本原理管子消耗，另一部分输出，所以，为了提高效率必须减少管耗。从PCI2兀酽_如既棋T式看出，减少管耗有两条路，一是减少导通角O，这就是C类放大器。二是减少管子的电流IC与其电压的乘积，要求IC大时VCED，而VCE大时ICD。而且如果能进一步做到IC与VCE不同时出现，使乘积ICVCE始终为零，效率可达到100。这是等效于受输入矩形波控制的开关的其他类功率放大器。在这里我们就不做具体的分析了。我们就针对工作于有源状态，等效于受控电流源的B，C类功率放大器来讨论怎样具体提高效率的问题。DOHERTY功率放大器的是有两个的功放管组成。Q1和Q2。具体的连接和结构见图31融VMCOSOX。绥L图31DOHERTY功放管的结构图Q1是B类功率放大器，它一般做成推挽形式，两个半波在负载上合成为一个正弦波，所以，QL为线性放大器。当放大器的负载是电阻，且阻抗匹配网络足够宽时，B类放大器属于宽带放大器。Q2是C类放大器它的导通角小于90度，它是一种非线性放大器，有较高的效率。但是它的功率增益相对小一些。下面来具体分析一下DOHERTY工作的原理。1低功率部分运算在QL低功率工作，Q2处在关闭状态的时候，从QL看过去NRI处的14波长传输线的第三章DOHCW功率放大电路的基本原理阻抗可表示为欠Z。2脓ZD2腕Q2关闭时邑因为传输线是消耗功率的，那么功率输入到R就相当于输入到负载里面。圪L瑚一华等触乩RMQ，我们很容易拿到高的阻抗。理论上讲，这些高的阻抗就被视为开路。这个结论适于所有的功放器件包括DOHERTY，合成器见图52512具体描述图52高阻抗我们命名一个功放管为主功放，另一个功放管为辅功放。主功放一直工作，当功率增长到某一个预定的值的时候，辅功放才开始工作。由于输出相位的要求，主功放的相位要回退20度，由于这个相位是在50Q的传输线上的回退，所以并不影响功放管的输出匹配。1171每一个分路合路系统由两路电桥和PIN管组成。每一路的特性阻抗可以得到很好的保障。第五章分路和合路器按需定制功率的设计IILI图53典型定义1IILI现在我们用两个电桥和两个PIN“极管开关搭建一个两路的分合路电路系统。两个电桥的每一个支路的特征阻抗保证了输出匹配阻抗。如图54所示图54两路的ODO两路的结构框图见下面的图55和图56第五章分路和合路器按需定制功率的设计图55两路的框图L图56两路的框图2第五章分路和合路器按需定制功率的设计同样道理，我们把两路的功放管的开关看成一个整体，就可以加入第3个功放管构成3路的按需定制功率系统。图573路按需定制功率框图52三路的原理框图下面详细讲述一下三路分、合路器的原理框图。图58按需定制功率分合路器具体控制是一路功放管工作还是两路功放管工作，这个需要根据输出功率的具体的门限值来决定的。门限值的确定是根据实际测试时候的数据统计得出41第五章分路和合路器按需定制功率的设计的。PIN管仿真的原理图和仿真的数据如图38所示。利用恒流源加PIN管及串联电感并联电容组成仿真电路。尸瑟蜀悯NLP。I眦。IO墅蚓T嗍“0MC鲴蛐一算朋QU啪卫图59PIN管开关仿真图PIN管的仿真结果如图51L所示。700HM是输出PIN管的对应的电流值60MA。1000HM是输KPIN管对应的电流值42MA仿真结果可以得出输入输出的PIN管的导通时的电流值。第五章分路和合路器按需定制功率的设计1卜、。、。、图510PIN管电流图图511三路分合路器的仿真图从MOMENTOR导出三路合分路器的电路图。然后在PIN管处放置恒压源，在输入输出口43第五章分路和合路器按需定制功率的设计放置500HM的阻抗。具体仿真电路图如图511所示。在ADS中仿真，得到如表1所列出的参数值。仿真的出来的S参数的数据如表1S1LDBS21DBS22DB相位平衡DEG1路56606534412路_4560702821123路353095462626由于微带线组成的电路的回波损耗值一般是小于一5DB。而从仿真的结果可以看出3路的输入回波损耗相对大了一点，但是通路的差损和出口的回波损耗已经达到了最好的数据。各个路相互之间的相位差异也控制在26度一下。在输入部分的回波损耗对整个输出的线性度和效率的影响并不是很大，所以就采用仿真出来的匹配做成实际的实验板。53本章小结这一章主要介绍了合分路器如何控制输出功率的基本原理。以及在ADS中仿真后得到的微带电路的参数指标。从数据中可以看出3路的分、合路电路对总体电路的功放管的11，21和22的影响是很小的。第六章实际结果和分析第六章测试结果和分析仿真之后按照优化之后的匹配电路，在6层罗杰斯板材上画出电路图，得到以下的LAYOUT图。实际的测试数据是在6层板的板材上测试的真实结果，在实际测试过程中，选择的输入测试点是在DOHERTY功率放大器前的分路器前，而输出的测试点是在两个管子的合路器之后。实验是用一个B类放大器和一个C类放大器搭出来的DOHERTY的功率放大电路，因而，外围电路的匹配，PCB的板材，微带线的差损，相位的一致性是DOHERTY功放电路能否达到预期的理想的效率值的关键。115本实验采用的板材是35的罗杰斯的板材，微带线的宽度是在ADS中做了MOMENTUM的仿真结果，外围的匹配电路也是采用了与仿真一致的电容，电感。以期达到与设计目标尽量吻合的实验结果。下面我们先看看实际的电路图和LAYOUT图。61测试的原理图图6I功率放大器的原理图功放管的偏置电压由两只封装在一起的三极管组成的电路。它可以保证提供给功放管一个稳定的微电流源。在输入电流比较大的时候，输出的电流变化幅度也控制在一定的范围之内。以保证功放管不被大的电流烧坏。45第六章实际结粜和分折图62分合路器的电路图从合分路器的电路构成看出3路输入信号通过3DB桥输入，功放臂之后通过PLN管的控制电路之后直接合成输出功率由一个输出台成3DB桥输出。DOHER砷CARRIEA_LLFIER图63功率放大器的LAYOUT第六章宴辱结粜和分析图42显示的是功放板的两路的功放管的搭建合成的DOHERTY功放LAYOUT。图中显示顶层和底层的LAYOUT图。两路的合成地方有相位调整的4线。62实际电路照片下图是实际测试的电路板的照片。包括两个射频管的输入输出的匹配电路和两个射频管的合成电路。实验的测试点选在管予的分路器的输入端和合成嚣的输出端。图6_4实际电路照片PCB板采用的是ROGERS的5320型的6层扳材，35，板厚为03毫米。50欧姆微带线的宽度为07毫米。功放管的底部设计有IMBEDCOIN，主要作用是用于功放管的散热需求。两个功放管之间覆有大面积的铜皮，对两个功放管的散热也起到很好的作用。器件两边有用于固定功放管的螺丝孔。螺丝孔有良好的接地，对功放管的散热也起到了很好的作用。功放管实际工作过程中为了保护输出阻抗尽量不受到外界的干扰，以及主路辅路的电磁干扰降到最低，每个功放管都有屏蔽罩作为防护。丰路与辅路之间还用金属条隔离开来，保证互相之间的干扰。由于功放管工作的时候散热是很重要的问题，所以，在机械外壳上也做了导热槽帮助功放管迅速的降温。第六章实际结果和分析63测试设备和测试方法由于主要目的是测试LPA的最后一级DOHERTY功放管的特性。所以，在前面外加了一级标准的驱动放大器。他的输出功率可以达到30DBM的输出，足以推动DOHERTY功放管。实际测试过程中，把没有DOHERTY功率放大器的LPA和有DOHERTY功放管的LPA一同做测试。测试功放的几个主要指标ACPR，PIDB，增益，效率。图65测试框图ACPR临近信道功率比。具体的测试方法SOURCE源用CDMA要求的TSI的信号，削峰比65DB。PSA设置为ACP测试状态。900KHZOFFSET30KHZBW单路信道功率输出22W。PIDB通过POWERMETER澳1试输出功率的大小。具体测试方法SOURCE源安捷伦的E4432B。用PULSE信号，压缩比为10L。通过推信号源的输出功率，在POWERMETER上显示增益刚好下降IDB时的PIDB的数据。增益通过POWERMETER上两个通道即输入输出的比值得到增益的大小。信号源输出PURSE信号，在输出为所需的功率处，读取增益的数值。效率在输出功率达到目标的22W的时候记录下此时的电流，由于输入电压为27V所以可以计算出此时的效率。普通功率放大器组成的功放的数据与DOHERTY功率放大器组成的功放的数据的比较，如表2所示第六章实际结果和分析电压VGAINDB900KHZOUTPUTACPRDBCEMCEINTPOWERWATT271017286075603230232711175158785898314527121754582258643265271317575734575534022714176156285684347827151755556556。0835622716175955125527364827171749547854313701271817385402528337422719171252765116389427201772507248743902272117344837465640322722174545584404410027231751427641484183表3B类功放测试数据B类放大器电压VOUTPUTACPRDBCE仟ICEINTPOWERWATTGAINDB，900KHZ2710178060456102283427111804586859382917271218075842596431282713181057545855321227141814565856543267271518085554563433122716181155345543334627171819543355313415271817905456533234652719176352915226350727201807501249353547272117864868476436212722179745984512368727231839424342023743第六章实际结果和分析图66效率比较图按需定制功率的实际测试数据如表4所示S11S21S22相位平衡DEG1路一58002536542路4000303122143路300076_440425从表2和表3实际测试的数据中可以看出，在增益方面，两种功放比较下来，DOHERTY功放管的增益比B类的要差3左右。在ACPR临近信道功率比是用TSL的信号测试的。削峰比65。在中心频率为755MHZ的900KHZ和900KHZ，RBW为30KHZ处测试得出的数据。可以看出，虽然900KHZ和900KHZ处测出的数据不是完全平衡的，但是实际测出的数据是满足指标。而且DOHERTY功放管电路和B类放大器测试的数据没有明显的区别，也就是说，DOHERTY管的功放电路在ACPR这个指标上与普通的B类功放管的测试数据是一致的。再来看看效率的数据。在输出功率10瓦的时候，DOHERTY的效率就比B类功放的效率要高2左右，在额定输出功率22瓦处，DOHERTY的效率为第六章实际结果和分析41而B类管的效率为3687，可以看出DOHERTY的效率明显要优于噗管的效率，从而验证了设计的初衷即应用DOHERTY管提高功率放大电路的效率的目的。由于设置的总的输出功率是60瓦，而一组DOHERTY管只能输出22瓦，那就需要3组DOHERTY功放管的组成才能输出60瓦的功率。3组的功放管通过按需定制功率的电路合成在一起，当全部3组DOHERTY管都打开的时候，输出的总功率为60瓦，当L路DOHERTY管打开时，当2路DOHERTY管打开时，当3路DOHERTY管打开时测试的数据就如表3所示。【19】从数据中可以看出，按需定制功率的电路的差损很小几乎不影响输出功率的大小，入口的回损的数据对整个电路的输出功率有一些减弱的作用。出口的回损对输出功率没有影响。也就是说，加上按需定制功率的电路输出功率要多提高IDB以弥补按需定制功率的电路带来的差损。凹】但是加上按需定制功率的电路，功放可以有效的利用，在信号业务繁忙的时候，功放是把3组功放管全部打开，以满足需求。在业务不繁忙的时候，按需定制功率的电路的阈值就可以控制功放管是需要关闭一组还是关闭两组，以节省电力达到提高效率的目的。64本章小结综上所述，设计的目标是在3组DOHCRTY功放管构架下的前馈式功率放大器电路的输出功率为60瓦，总增益为50DB，ACPR每组DOHERTY工JJ放管达至LJ40DBC，效率达到40以上。通过模板仿真之后，测试前馈式功率放大器的各项重要的指标，可以看出最终的设计结论是完全符合当初提出的目标的。达到了效率比普通的B类放大器提高5的目的。5I第七章结论第七章总结与展望论文从客户的角度出发，对高效率的射频DOHERTY放大器进行了设计研究。在设计的过程中采用的是前馈式功率放大器加末级DOHERTY功放管和合分路器采用按需定制功率的电路。DOHERTY力N上前馈电路在大功率的应用，已经比较成熟，而本论文主要是采用两个MRF9045N搭建成的DOHERTY管，这样的电路，是在原有的B类功放的基础上改造的DOHERTY电路，原有的PCB板不需要做大的改动，实际花费比较少。另外，在DOHERTY功放管的合分路的电路上采用带状线搭出来的按需定制功率电路，实际费用少，又可以按照实际需要有效控制输出功率的大小。这是本设计创新的地方。本论文具体的设计思路和设计过程中的一些具体问题总结如下1DOHERTY功率放大器的CARRIER放大管和PEAKING放大管的选取，飞思卡尔的功放管MRF9045N是合适的B类和C类的放大管在直流偏置及静态电压的设计中，MRF9045都达到了设计的需求。2因为DOHERTY功率放大器的最高效率是在大约回退6DB的时候达到，所以选择功率放大器为两个飞思卡尔的管子MRF9045N，他们在最大功率工作时总的功率为90W，回退L46DB即得到22W。实际测试的结果表明功率达到了设计要求。3按需定制功率电路，辅助提高功放管的效率【2N。按需定制功率设计初衷就是在通话业务不是很繁忙的时候，功放管可以只开启一路的功放管，在达到一定的某一个设置的通话门限的时候，再依次开启第二组，第二组功放管。这样，就可以节省很多开支，达到提高效率的目的。实验证明，按需定制功率的仿真结果与实际测试数据相符合，达到了设计的最初目的。4总DOHERTY功放的性能在与B类普通的功放管比较下来，增益有一点下降，但是ACPR与普通功放管是等同的，而且效率是有了明显的提高。第七章结论进一步研究方向的展望DOHERTY电路的进一步的研究还可以在电路的集成度方面再做近一步的研究。可以在提高线性度方面，还有偏置电压的电路方面做线性优化。嵌套DOHERTY管方面还有可以进一步研究开发的地方【251。建模，优化单元电路，这些都是进一步开发和研究的重点。从更远的层面上我们对DOHERTY管的材料方面可以做革命性的改进。现在使用的LDMOS管离不开SI材料，而LDMOS的电源必须使用27V，这个对提高效率来讲，是比较大的一个障碍。军方用的比较多的GAN新型材料在很多方面性能优于SI材料，如GAN管的电压范围是可以变动的、整个电路的输出效率可以达到SI材料的两倍。而随着GAN这种器件的民用化在业界逐渐展开，迸一步的研究方向，就是采用耗电小，效率更高的GAN的DOHERTY功放管来搭建前馈式功率放大电路。53参考文献参考文献1PKARMEI，GCOLEF，ANDRCAMISA，INTRODUCTIONTOELECTROMAGNETICANDMICROWAVEENGINEERING，JOHNWILEY，NEWYORK，19982JLANGE，“INTERDITGITATEDSTRIPLINEQUADRATUREHYBRID，“IEEETRANSONMTT，V0117，PP1150一L151，19693谢嘉奎主编，电子线路非线性部分第四版北京高等教育出版社，20004张肃文主编。高频电子线路。第二版北京高等教育出版社，19895REINHOLDLUDWIGPAVELBRETCHEKO射频电路设计理论及应用北京教育出版社，20026RS卡逊著。赵志美，廖承恩译。高频放大器。北京人民邮电出版社，19817樊昌兴，詹道庸，徐炳祥，吴成柯。通信原理。第四版北京国防工业出版社，19958胡宴如，章忠全编。高频电子线路北京高等教育出版社，19939DAVIDMPAZARMICROWAVEANDRFWIRELESSSYSTEMSNEWYORKJOHNWILEYSONS，INC200110JOSEPHJ