基于可调补偿线的L波段Doherty功率放大器设计

本文摘要（由AI生成）：

本文综述了Doherty功率放大器的研究现状和发展趋势。首先介绍了Doherty功率放大器的基本原理和工作机制，然后分析了其在无线通信、雷达和卫星通信等领域的应用。接着，文章总结了Doherty功率放大器在提高线性度、效率和带宽等方面的主要研究进展，包括使用铁电陶瓷、耦合线、电容负载、复合左右手传输线等技术手段。最后，文章指出了Doherty功率放大器未来的发展方向和挑战，为相关领域的研究提供了有益的参考。

这段摘要简明扼要地概括了文章的主要内容和观点，涵盖了Doherty功率放大器的基本原理、应用领域、研究进展和未来挑战等方面，有助于读者快速了解文章的核心信息。

在无线通信系统中的码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）2000、W-CDMA和OFDM等技术中，一些关键指标是有区别的。为实现高数据率的应用，当前无线通信系统已朝拓展频带的方向迈出相当重要的一步。基站PA需输出一个具有高线性度、无失真且有高峰均比的信号。为满足线性度的需求，PA通常被偏置在A类或AB类。随着通信系统硬件尺寸的减小及成本的降低，冷却系统也变得简单化和小型化，这就需一个具有高效率的PA。基站PA由于回退作用而导致低效率，因此效率提升技术就显得十分重要。现在，一个同时具有高效率和高线性度的基站PA设计问题，已成为一个研究热点。

本文所提出的Doherty PA结构满足基站PA的基本要求，且阐述了PA的基本工作原理，包括线性度、效率的概念及其基本电路结构等。同时，本文也提出一种改进的设计方法，即基于可调补偿线的Doherty PA结构。这种方法能够使Doherty PA在一定程度上提高线性度，减小匹配网络中的信号失真。为检验此方法，本文采用LDMOSFET设计Doherty PA，并用通用移动通信技术的长期演进（Long Term Evolution, LTE）信号测试仿真电路。结果表明，对于一个需较宽频带、较高效率和线性度的基站PA来说，基于可调补偿线的Doherty PA研究是一个很有前景的方案。

1  射频功率放大器性能介绍

在近代研究的射频（Radio Frequency, RF）微波电路中，放大是最基本最广泛存在的功能之一，通常被用在通信系统发射机的末级，把已被调制的RF信号放大到所需功率值，然后传到天线中发射出去，并要保证在一定范围的带宽内，接收机可接收到所需的信号，同时没有干扰相邻信道的通信。RF PA的工作特点是低电压、大电流，主要技术指标是输出功率（Pout）、效率、增益（Gain）和线性度（IMD3）等，且其设计的核心目标是大的输出功率及高的功率效率（PAE）。

2  Doherty功率放大器工作原理

2.1  四分之一波长阻抗变换网络

传输线基本原理是，在一个波长内，传输线的阻抗每处不一样。有些地方呈感性，有些地方呈容性，但在距离负载四分之一波长的整数倍处，传输线的阻抗总是呈纯电阻性。因此，实际选用的传输线长度应尽量为其1/4波长整数倍，且最好是偶数倍，这样设计的传输线才容易进行网络匹配。1/4波长阻抗变换器是一节特性阻抗与主传输线不同的1/4波长传输线段，主要针对负载为纯电阻时应用（负载 ZL = RL）。

2.2  微带3 dB等分Wilkinson功率分配器

功率分配器属于微波无源器件，其主要被应用于功率分配和功率合成中。而Wilkinson功率分配器的功能是将输入端口的信号等分或不分等的分地配到各输出端口，且输出的信号保持与输入信号相同相位。与大型微波立体器件相比，微带技术具有体积小、重量轻、成本低及频带宽等优点，其主要技术指标有下面几个，输入端的回波损耗、输出端口的插入损耗、端口间的隔离度及功率分配比。

2.3  经典Doherty功率放大器结构

关于Doherty PA的研究始于上世纪三十年代，贝尔实验室的W. H. Doherty于1936年提出Doherty技术概念。其作为研究高效率振幅调制技术的方法，常被用于真空管相关产品中。Doherty PA的基本原理是将输入信号的载波和峰值部分分开放大，然后合成，从而获得高的效率，典型结构由AB类偏置的主功放（Main Amplifier, MA）和C类偏置的辅助功放（Auxiliary Amplifier, AA）共同组成。其功率合成部分由1/4波长阻抗变换器组合而成，前者的特性阻抗为50Ω，后者不仅能把微带传输线的特性阻抗从50Ω变为25Ω，而且能决定输出合成电路的负载阻抗。为调整两个PA至同样的时延，辅助功放会在其前加一段1/4波长传输线。为优化电路参数，在两个功率管的输入输出匹配网络前后常会添加补偿线。

3  L波段功率放大器仿真设计

3.1  原理图设计

近年来，RF领域的应用需求在广泛增加，但在通信相关产品设计中，RF电路的设计与分析一直是个难点，传统的设计方法已很难满足现代电路的设计需求，而美国安捷伦（Agilent）是德科技（Keysight Technologies）有限公司推出的电子设计自动化（Electronic design automation, EDA）软件先进设计系统（Advanced Design System, ADS）很好的迎合了相关需求。

基于可调补偿线的Doherty PA的工作带宽为30 MHz，中心频率在1960 MHz及平均输出功率为43 dBm等。因此，本次设计采用的RF功率管为NXP AFT20P140-4WNR3型LDMOSFET，介质基板采用的型号为罗杰斯公司（ROGERS CORPORATION）的Rogers4350B板材。在静态工作点下，管子的工作频段为1880-2025 MHz，在中心频率为1960 MHz下的平均输出功率为24 W、Gain为17.8 dB、漏极效率为41.7 %，IMD3及相邻信道功率泄漏比的性能良好，适合用做Doherty PA设计。

L波段PA的仿真步骤如下，以主功放的设计为例，其直流偏置点选在AB类，辅助功放的设计步骤类似。用ADS软件2-Tone Nonlinear Simulations中的Spectrum，Gain，TOI and 5thOI Points. vs. Power (w/PAE) 模板可得到完整单管PA电路的Pout、PAE、Gain及IMD3的仿真曲线。

1）根据项目方案指标选工艺及管子；

2）扫描静态直流工作点；

3）误导性分析；

4）Load/Source Pull；

5）设计偏置电路；

6）输入输出阻抗匹配；

7）小信号S参数仿真；

8）大信号谐波平衡（Harmonic Balance, HB）仿真；

9）版图原理图联合仿真。

3.2  版图原理图联合仿真

将PA原理图生成的版图进行EM仿真后，返回原理图中进行联合仿真，得到更为接近实物指标的仿真结果，对其进行分析研究，不断迭代调试，直至整体指标满足系统要求。

4  基于可调补偿线的Doherty PA研究

4.1  设计Wilkinson功率分配器

用同样的设计方法在相关软件中进行研究，对Doherty PA所需微带3 dB等分Wilkinson功率分配器的版图原理图联合仿真进行分析。

4.2  Doherty功率放大器研究

将Wilkinson功率分配器、1/4波长阻抗变换器、主功放、辅助功放及功率合成网络进行联调，进行基于可调补偿线的Doherty PA研究。用ADS软件仿真得到添加可调补偿线的L波段Doherty PA的Gain、PAE及IMD3曲线。可看出，PA在P-1dB压缩点处的Pout约为43.60 dBm，在此时的PAE为32.84 %，IMD3为-33.41 dBc。在输出功率回退6 dB时的PAE为26.85 %，这在一定程度上保持较高的效率，仿真结果基本满足项目课题设计指标要求。联合仿真的结果与原理图的仿真结果相比稍差一些，但在误差允许的范围内。

5  结  论

经典Doherty PA虽在输出功率回退6 dB的情况下保持高效率，但信号的幅度相位失真及整个PA的输入输出匹配还有一些缺陷。针对这些问题，本文提出改进的设计方法，即基于可调补偿线的Doherty PA设计研究。

本文的主要工作和创新点如下：

1）采用具有可调补偿线的Doherty PA设计方法，使其工作在高效率条件下的同时，在一定程度上提高了线性度；

2）参考行波放大器的设计原理，此次设计的Doherty PA的输入阻抗网络只用传输线来实现匹配，在一定程度上拓展了工作带宽。

本文只完成基本的设计仿真过程，后续工作仍具有很大的研究意义：

1）在进行Doherty PA偏置电路的设计时，若考虑其记忆效应，会更加针对性地优化其非线性特性的影响；

2）用LTE信号驱动测量Doherty PA的邻信道功率泄漏比（Adjacent Channel Power Ratio, ACPR）等指标，并结合数字预失真技术（Digital Pre-Distortion, DPD）优化整体性能[12]，从而可在现代通信背景下更好地优化系统性能指标（DPD   Doherty PA）。

参  考  文  献

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