【技术分享】高效率Doherty功率放大器的设计

2019-05-16 16:02:46 来源:CEDA
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射频功率放大器被广泛应用于各种无线通信设备中。在通讯基站中,线性功放占其成本比例约占1/3。高效率,低成本的解决功放的线性化问题显得非常重要。因此高效率高线性的功放一直是功放研究的热门课题。
 
1.Doherty功率放大器应用背景
伴随着现代无线通信技术的高速发展,通信产品已经广泛的融入了人们的生活中,对人们的影响越来越大。射频功率放大器作为无线通信系统中主要器件之一,其性能对系统终端的影响重大。无线通信系统的标准由传统的GSM标准到第三代通信标准WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000,以及今天的第四代通信标准LTE(Long Term Evaluation)。信号的调制方式也随之发生改变,由恒包络调制向包络变换调制方式转变。
 
例如,在WCDMA中采用的OFDM包络变换调制方式,其传输功率有着较高的均峰比,来满足最大限度的增加系统的容量。因此需要功率放大器能够在一定的功率回退中保证PA的线性度。但是传统的功率放大器在功率回退范围内的效率很低,因此,提高基站中功率放大器在功率回退中的效率变得尤为重要。提高效率的方法有很多, Doherty功率放大器技术结构简单,性价比高等优势,早已成为基站功率放大器研究的热点。当前射频功率放大器的设计正围绕着“高效率”、“多波段”、“高线性化”的方向发展。
 
2.Doherty功率放大器架构
 
 
图1
 
3.Doherty功率放大器工作原理概述
Doherty结构由2个功放组成: 一个Main Amplifier(主功放),一个Peak Amplifier(辅助功放),主功放工作在AB类,辅助功放工作在B类或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。主功放后面的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,保证辅助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四分之一波长线,用以平衡二路的相位。如图1所示。
 
4.Doherty功放工作的三个阶段
Doherty技术是有源负载调制技术,主功放的负载随着信号强度的变化而变化。从输入信号强度划分,Doherty功放的工作区域可以大致分为三个阶段:小信号阶段、中等信号阶段和大信号阶段。如图2所示。
 
 
 
 
a)小信号阶段
 
在小信号阶段,由于峰值功放工作在B类或C类,信号强度不足以使其工作,因此其截止,呈现开路状态。主功放由于四分之一波长变换线将等效负载变为100Ω,负载电压升高,使主功放提前进入预饱和状态,效率提高。
 
b)中等信号阶段
 
当信号逐渐增强时,辅助功放开启,有源调制效应出现,主功放的等效负载由100Ω向50Ω的方向减小(并没有达到50Ω),而主功放的电压受到辅助功放牵制保持预饱和状态,辅助功放的负载由开路状态向50Ω转变。
此时功放由最大效率状态向最大输出状态转变,效率维持不变(理想情况),线性有所提高。
 
c)大信号阶段
 
随着输入信号的逐渐增强,辅助功放和主功放的电流增大,主功放的输出电压不变(理想情况),保持高效率。而主功放的负载继续减小,输出功率增加,当辅助功放达到饱和时,主功放和辅助功放的电流都达到了最大值。主功放,辅助功放负载均为50Ω,输出功率达到最大。
 
5.Doherty功放的设计
a)Doherty功放的缺点和注意点
 
前面提到了Doherty结构简单和效率高的特点,但它也有不可克服的缺点,增益降低,带宽减小,敏感度高。
 
●增益降低
Doherty功放和AB类功放相比,其增益降低了2-3dB,原因是辅助功放处于C类,而末级功放的增益降低会影响到Doherty功放设计,因此在设计选择推动级时,要考虑到增益降低带来的影响,多留出设计余量。
 
●带宽减小
通过调试或者仿真可以看出,Doherty是个窄带系统,带宽小,尤其是线性。调试时经常发现调好高端后,发现低端又不能满足指标要求。原因是阻抗变换和1/4波长变换线的窄带特性导致的。
 
●敏感度高
前面提到Doherty的实质就是有源负载调制,两路功放相互影响程度较大,敏感度较高。由于这种敏感度存在,所以研发阶段应该在比较敏感的地方预留一些可调试的部分(焊盘),便于生产中校正其离散性。
 
b)Doherty功放设计要点
 
功放主要是由功放管,偏置电路,匹配电路三部分组成,关注的要点是效率,线性,稳定性。
 
●稳定性
不稳定是功放设计中比较忌讳的事情。轻则杂散大,重则无法正常工作。比如自激,烧LDMOS管等。其实不稳定就是放大器变成了振荡器。设计时可以通过如下措施进行避免。
 
◊ 偏置电路反馈及处理办法
 
采用1/4波长微带线和去耦电容的方法阻止反馈回路的形成。
 
PCB板和地平面的要有足够多的螺钉固定,并且在功放管附近保证良好接地。
 
◊ 结构分腔设计
 
单个腔体中增益过高容易引起空间的耦合,加盖板影响较大。单个腔体内的增益最好小于30dB,过高的增益需要分腔设计,两路之间要用金属隔挡,尽量长,盖板上增加屏蔽条,有效隔断减小相互影响。
 
◊ 两级级间的考虑
 
在直接级联时,放大器间的影响是不可消除的。即使单级放大器是稳定和指标良好的,但级联效果不一定就好,这时就需要增加隔离器或者电阻衰减网络。
 
c)Doherty功放的设计思路
 
 
◊ 按照AB类功放的方法设计输入输出匹配。
 
◊ 按照Doherty的架构组合两路功放,并加上offset线。
 
◊ 在整体架构上调整各offset线的长度以实现高效率和高线性。
 
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