基于ADS平臺不對稱Doherty功率放大器的仿真設(shè)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(shè)計了一款工作于2．14 GHz頻段不對稱功率驅(qū)動的Deherty功率放大器?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/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(diào)失真(IMD3)，同時通過調(diào)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(dǎo)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(jié)果表明，當(dāng)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(guān)鍵詞：不對稱Doberty功率放大器；功率附加效率；三階互調(diào)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(jīng)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(nèi)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(diào)制方式，系統(tǒng)的瞬時傳輸功率產(chǎn)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(shè)計線性高效的射頻功率放大器成為功率放大器研究領(lǐng)域的一個熱門課題，Doberty結(jié)構(gòu)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(guān)注和研究。本文基于ADS仿真平臺，在深入研究分析Doherty結(jié)構(gòu)的工作原理和優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，設(shè)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(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生相等的輸出功事。這時載波放大器和峰值放大器的負(fù)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(dǎo)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(fù)載網(wǎng)絡(luò)阻抗的影響可以忽略。載波放大器輸出端的負(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(fù)載牽引理論，當(dāng)峰值放大器的電流沒有達到理想值時，必然導(dǎo)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(chǔ)上做的改進，一般有不對稱功率驅(qū)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(qū)動的方案在結(jié)構(gòu)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(diào)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(shè)計中，可以不斷的調(diào)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(shè)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(shè)計了一款工作在2．14 GHz頻段WCDMA基站的不對稱功率驅(qū)動的Doherty功率放大器。