基于ADS平臺(tái)改進(jìn)型Doherty電路設(shè)計(jì)與仿真

2017-05-03  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

1、引言

在現(xiàn)代數(shù)字通信中,調(diào)制技術(shù)運(yùn)用了非恒包絡(luò)調(diào)制方式,峰值和平均值相差較大,描述為峰均比(PAR),為了滿足線性度的要求,則往往采用功率回退的方法來達(dá)到線性度的提升。隨著功率的回退,放大器效率的效率也會(huì)大大的降低。將Doherty 技術(shù)運(yùn)用到射頻功率放大器中,可以顯著的提高系統(tǒng)的效率。

傳統(tǒng)的Doherty 放大器提出了用一段1/4 阻抗變換線連接載波放大器和峰值放大器,從而改善功率放大器的效率,電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。同時(shí),還需在峰值放大器和載波放大器鏈路后面加入補(bǔ)償線,當(dāng)小信號(hào)階段,峰值放大器后面的補(bǔ)償線用于將峰值放大器的小阻抗變換成大阻抗,實(shí)現(xiàn)開路狀態(tài),使得Doherty 功率放大器在高功率和低功率狀態(tài)下都能夠很好的匹配負(fù)載阻抗,實(shí)現(xiàn)高效率。而本文中提出使用一種3dB混合電橋來替代傳統(tǒng)電路中的1/4阻抗變換線和補(bǔ)償線,使得電路更簡(jiǎn)單,簡(jiǎn)化調(diào)試過程,提高了生產(chǎn)可行性和系統(tǒng)可靠性。

2、Doherty 功率放大器的原理

Doherty 功率放大器這一概念首先由貝爾實(shí)驗(yàn)室的William H.Doherty 提出的。起初它是應(yīng)用于真空管放大器。經(jīng)典Doherty功放的框圖如圖1 所示,電路中包括3dB功分器,兩段1/4波長(zhǎng)微帶線和主功放、輔助功放。其中,輔助功放前的1/4波長(zhǎng)微帶線實(shí)現(xiàn)了其電流相對(duì)主功放輸入電流相位滯后90 度,而主功放后面的1/4波長(zhǎng)微帶線在補(bǔ)償了輸出相位差的同時(shí),更重要的是起到了阻抗變換的作用。

圖1、Doherty功放的基本框圖

載波放大器工作在B類或者AB 類,峰值放大器工作在C類,當(dāng)輸入信號(hào)比較小的時(shí)候,峰值放大器截止,只有載波放大器處于工作狀態(tài);當(dāng)管子的輸出電壓達(dá)到峰值飽和點(diǎn)時(shí),理論上的效率可以達(dá)到π/4。如果這時(shí)候?qū)⒓?lì)加大一倍,那么,放大器在達(dá)到峰值的一半時(shí)就出現(xiàn)飽和了,效率也達(dá)到最大的π/4 ,此時(shí)峰值放大器也開始與載波放大器一起工作。峰值放大器的引入,從載波放大器的角度看,負(fù)載減小了,因?yàn)榉逯捣糯笃鲗?duì)負(fù)載的作用相當(dāng)于串連了一個(gè)負(fù)阻抗,所以,盡管載波放大器的輸出電壓已經(jīng)飽和,輸出功率因?yàn)樨?fù)載的減小卻持續(xù)增大(流過負(fù)載的電流變大了) 。當(dāng)達(dá)到激勵(lì)的峰值時(shí),峰值放大器也達(dá)到了自己效率的最大點(diǎn),這樣兩個(gè)功放合在一起的效率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單個(gè)B 類功放的效率。單個(gè)B 類功放的最大效率π/4 出現(xiàn)在峰值處,現(xiàn)在π/4 的效率在峰值的一半(回退6dB)就出現(xiàn)了。所以這種結(jié)構(gòu)可以達(dá)到很高的效率(圖2)。

圖2、載波、峰值放大器不同功率比對(duì)應(yīng)的效率最高點(diǎn)

在實(shí)際應(yīng)用中,在小功率輸入的情況下,Doherty 放大器的增益和單管相比,增益有較大幅度的下降。其原因主要是:由于峰值放大器匹配電路的影響,峰值放大器截止時(shí),其等效阻抗并不滿足理想情況的無窮大。并且由于等效阻抗并不是理想的無窮大,造成載波放大器能量的泄露,降低效率。

為了解決Doherty 放大器在小信號(hào)的情況下,載波放大器不滿足截止的理想條件,通常會(huì)在峰值放大器和載波放大器鏈路輸入和輸出加入補(bǔ)償線(offset line),載波放大器后的補(bǔ)償線用于小信號(hào)時(shí)漏極大電流的實(shí)現(xiàn),達(dá)到提前飽和提高效率的作用。峰值放大器后面的補(bǔ)償線用于將峰值放大器的小阻抗變換成大阻抗,實(shí)現(xiàn)開路狀態(tài)。因此,補(bǔ)償線的長(zhǎng)短是否合適極為重要。在現(xiàn)代移動(dòng)通信中,頻率動(dòng)輒都是2GHz、3GHz,其1個(gè)波長(zhǎng)僅僅幾十毫米,補(bǔ)償線幾個(gè)毫米的長(zhǎng)短差別都會(huì)造成很大的性能上的差別,補(bǔ)償線的長(zhǎng)短也是Doherty電路的調(diào)試難點(diǎn)。而輸入端的補(bǔ)償線主要作用則是為了兩路放大器可以在輸出合路的地方保持相同的相位,進(jìn)行有效功率合成。

圖3、Doherty功放實(shí)際應(yīng)用框圖

3、改進(jìn)型Doherty 功率放大器原理

從圖1可見,傳統(tǒng)Doherty功放電路的輸出合路部分采用了分叉的合路器,圖中的虛線框部分,這個(gè)電路的S參數(shù)矩陣是

(1)

Doherty功放的輸出合路器還可以采用3dB混合電橋來做,如圖4所示

圖4、3dB混合電橋端口示意圖

3dB電橋的S參數(shù)矩陣是

(2)

[b]表示反射波,[a]表示入射波

當(dāng)我們把隔離口開路時(shí),b4=a4,代入到上式,并消去b4,a4,得到:

得到一個(gè)3端口網(wǎng)絡(luò),這個(gè)3端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)矩陣為

(3)

和(1)式比較,僅涉及3端口的參數(shù)的相位有差異,如果我們把后一電路的3端口前加上90°相移,則這個(gè)電路的S參數(shù)和前一電路完全相同,也為(1)。如圖5,兩個(gè)電路是等效的。

圖5、輸出合路部分等效轉(zhuǎn)換圖

由于3口合路輸出是接50Ω負(fù)載,所以3口上的50Ω微帶對(duì)功放除了相位延遲外不產(chǎn)生其他影響。

如果我們把4口走一段微帶再開路,那么會(huì)是什么情形呢,我們可以把1、2端口的反射看著從4口反射回1、2口的,4口增加的微帶增加了反射路徑,一段路徑可以移到1、2端口上。于是,下面兩個(gè)電路是等效的,可以驗(yàn)證它們的S參數(shù)矩陣是一樣的,如圖6所示。

圖6、3dB電橋等效轉(zhuǎn)換圖

就是說我們調(diào)整4口反射線的長(zhǎng)度就相當(dāng)于調(diào)整合路器前的微帶長(zhǎng)度,而4口還可以短路(相當(dāng)于增加了λ/4長(zhǎng)度的開路線)或用電容來調(diào)整,不同的容量可以等效不同的微帶長(zhǎng)度。由于Doherty功放需要仔細(xì)調(diào)整分叉合路器前的微帶長(zhǎng)度,而采用了這種結(jié)構(gòu)只需改變隔離器口的電抗就可以了,所以采用混合電橋輸出合路的Doherty功放調(diào)整更方便。全部的變換關(guān)系如圖7所示

圖7、3dB混合電橋完整轉(zhuǎn)換圖

4、改進(jìn)型Doherty 功率放大器仿真驗(yàn)證

我們選用NXP公司的10W LDMOS功率放大管BLF6G21-10G,在ADS上進(jìn)行仿真,通過對(duì)比其工作在CLASS AB狀態(tài)下的功率和效率,和采用改進(jìn)型Doherty結(jié)構(gòu)后的功率和效率進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了方案的可行性。

1)單管CLASS AB狀態(tài)下仿真

圖8、單管CLASS AB仿真原理圖

圖9、單管CLASS AB仿真結(jié)果

由上面的圖8和圖9可見,BLF6G21-10G在CLASS AB狀態(tài)下,其P1dB功率為41.3dBm,約12W左右,而其輸出功率為34dBm時(shí),功率附加效率(PAE)為26.6%。

2)雙管改進(jìn)型Doherty電路結(jié)構(gòu)仿真

取兩個(gè)BLF6G21-10G,在輸入和輸出端通過兩個(gè)3dB混合電橋合路,1個(gè)定義為主放大器(載波放大器),工作在CLASSAB狀態(tài),另一個(gè)定義為峰值放大器,工作在CLASSC狀態(tài),構(gòu)成了Doherty結(jié)構(gòu),仿真過程和結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10、改進(jìn)型Doherty仿真原理圖

圖11、改進(jìn)型Doherty仿真結(jié)果

從圖11的仿真結(jié)果看,改進(jìn)型Doherty電路的峰值功率達(dá)到了43.3dBm,輸出功率為37.3dBm時(shí),效率達(dá)到了43%,與CLASS AB狀態(tài)相比,功率回退同樣6dB情況下,效率提高16.7%。

5、結(jié)論

通過從原理的推導(dǎo),在理論方面論證了方案的可行性,再通過ADS進(jìn)行仿真,從仿真結(jié)果上再次對(duì)方案的正確。傳統(tǒng)Doherty電路,其載波和峰值路均需要調(diào)整補(bǔ)償線的長(zhǎng)短,電路復(fù)雜調(diào)試難度大,不利于批量生產(chǎn)等問題。改進(jìn)型Doherty和CLASS AB電路基本一致,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性好,便于大批量生產(chǎn),同時(shí)效率也得到了極大的改善,非常適合于WCDMA、CDMA2000、TDD-LTE和LTE-FDD等各種移動(dòng)通信基站和直放站的應(yīng)用。

作者:卓龍聲,研發(fā)工程師,深圳市鼎芯無限科技有限公司

參考文獻(xiàn)

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