基于ADS平臺不對稱Doherty功率放大器的仿真設計

摘要：為在高線性的前提下提高WCDMA基站系統(tǒng)中功率放大器的效率，仿真設計了一款工作于2．14 GHz頻段不對稱功率驅動的Deherty功率放大器?；?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/ADS">ADS平臺，采用MRF6S21140H LDMOS晶體管，通過優(yōu)化載波放大器和峰值放大器的柵極偏置電壓改善三階互調失真(IMD3)，同時通過調節(jié)輸入功率分配比例改善由于峰值放大器對載波放大器牽引不足導致的失配問題，從而改善不對稱Doberty功率放大器的輸出性能。仿真結果表明，當載波放大器的柵極偏置電壓為2.84V，峰值放大器的柵極偏置電壓為0．85 V并且輸入功率比例為1：2.3，輸出功率為44 dBm時其功率附加效率(PAE)為24．21％，IMD3為-44．46 dBc，和傳統(tǒng)AB類平衡功率放大器相比PAE提高了8．58％，IMD3改善了6．98dBc。
關鍵詞：不對稱Doberty功率放大器；功率附加效率；三階互調失真；柵極偏置電壓；MRF6S21140H LDMOS

對于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)，多載波、寬帶、高傳輸速率已經成為其發(fā)展的方向。隨著頻譜資源的日益緊張，為了在有限的帶寬內傳輸更多的數(shù)據(jù)，在WCDMA系統(tǒng)中采用BPSK和QPSK等非線性調制方式，系統(tǒng)的瞬時傳輸功率產生較高的峰均比，功率放大器需要通過較大的功率回退的方式來滿足系統(tǒng)對線性度的要求。目前WCDMA基站或直放站中的功率放大器是最主要的功耗單元，為了滿足系統(tǒng)線性度的要求通常偏置在A類和AB類，效率都比較低，一般在8％～15％。因此，研究設計線性高效的射頻功率放大器成為功率放大器研究領域的一個熱門課題，Doberty結構的功率放大器以其效率高、實現(xiàn)方法簡單、成本低廉等優(yōu)點引起了人們越來越多的關注和研究。本文基于ADS仿真平臺，在深入研究分析Doherty結構的工作原理和優(yōu)缺點的基礎上，設計了一款滿足WCDMA基站性能要求的不對稱Doberty功率放大器。

1 不對稱Doberty功率放大器的基本理論
1．1 傳統(tǒng)Doberty功率放大器的工作原理
傳統(tǒng)Doberty功率放大器的結構示意圖如圖1所示，它一般由載波放大器(Carrier Amplifier)和峰值放大器(PeakingAmplifier)并行連接組成。其中載波放大器一般偏置在AB類工作模式，輸出端串聯(lián)一個微帶線起阻抗變換的作用；峰值放大器一般偏置在C類工作模式，輸入匹配網絡前端附加的微帶線起到相位平衡的效果。

由圖1可以看出，傳統(tǒng)Doberty結構的功率放大器有兩種工作狀態(tài)：低輸出功率狀態(tài)(圖1中的有斜條紋)和高輸出 功率狀態(tài)(圖1中的無斜條紋)。在高輸出功率狀態(tài)，理想情況下2個放大器的輸出電流大小相等，載波放大器和峰值放大器產生相等的輸出功事。這時載波放大器和峰值放大器的負載阻抗都為R0，通常情況下R0=50Ω。在低輸出功率狀態(tài)，峰值放大器截止不工作，只有載波放大器導通工作。理論上此時的峰值放大器的輸出阻抗趨于無窮大，峰值放大器對負載網絡阻抗的影響可以忽略。載波放大器輸出端的負載阻抗通過特性阻抗為的R0的λ／4微帶線將的R0／2變換到2R0，這樣可以實現(xiàn)在低輸出功率狀態(tài)下高的負載阻抗達到效率的提高。此時載波放大器的飽和輸出功率要比總的峰值輸出功率小4倍，即傳統(tǒng)Doherty功率放大器在低輸出功率區(qū)域的飽和輸出功率要比峰值飽和輸出功事低6 dB，從而實現(xiàn)了提前飽和的目的，提高功率回退時的效率。
1．2 不對稱Doherty功率放大器的基本理論
傳統(tǒng)Doherty結構的功率放大器，載波放大器偏置在AB類，而峰值放大器一般偏置在C類，當輸入的信號相同，峰值放大器的電流必然低于載波放大器的電流。在輸出功率飽和時由于兩個放大器的輸出電壓相等，峰值放大器的輸出功率必然小于載波放大器的輸出功率，這與理想的情況不同。根據(jù)有源負載牽引理論，當峰值放大器的電流沒有達到理想值時，必然導致峰值放大器對載波放大器的牽引不足，使得載波放大器的輸出阻抗在從高阻100Ω向50 Ω的低阻抗變化過程中，沒有牽引到50 Ω，最終影響到Doherty功率放大器的性能。不對稱Doherty功率放大器是在傳統(tǒng)Doherty功率放大器的基礎上做的改進，一般有不對稱功率驅動和不同的功率放大器管這兩種實現(xiàn)方法。和采用不同的功率放大器管這種實現(xiàn)方法相比，不對稱功率驅動的方案在結構上要相對簡單，容易實現(xiàn)。對于不對稱Doherty功率放大器，在低輸出功率狀態(tài)，載波放大器偏置在AB類，峰值放大器截止，功率放大器的線性度主要取決于載波放大器。在高輸出功率狀態(tài)，不對稱Doherty功率放大器的線性度可以通過調節(jié)兩個功率放大器管的柵極偏置優(yōu)化IMD3性能。因此在設計中，可以不斷的調節(jié)載波放大器和峰值放大器的輸人功率分配比和柵極偏置電壓，使得設計的不對稱功率放大器性能最佳。在下面的章節(jié)中，基于ADS仿真平臺，選用飛思卡爾的MRF6S21140H功放管設計了一款工作在2．14 GHz頻段WCDMA基站的不對稱功率驅動的Doherty功率放大器。