運(yùn)用ADS 對全功率匹配Doherty 功率放大器的設(shè)計

1、運(yùn)用ADS對全功率匹配Doherty 功率放大器的設(shè)計周海濤，敬小東, 羊愷（電子科技大學(xué) 空天科學(xué)技術(shù)研究院 四川 成都 610054）【摘要】 該論文介紹了一個移動通信中運(yùn)用的高功率Doherty 放大器的ADS仿真過程，同時通過加入對消傳輸線（offset transmission lines）的負(fù)載牽引，從而改善傳統(tǒng)的Doherty功率放大器的設(shè)計。本文中使用的功率放大器是飛思卡爾的MRF6S21050，該芯片工作頻率范圍為2110Mhz2170Mhz,28Vdc,50Watts CW 輸出功率。通過該芯片，設(shè)計平衡Doherty功率放大器，實現(xiàn)6dB的功

2、率回退效率為52%，P1dB為49dBm。關(guān)鍵詞：Doherty功率放大器，負(fù)載牽引，功率回退，高效率，對消傳輸線（offset transmission line） 1  引言 在現(xiàn)代數(shù)字通信中，常常要求一定的峰均比（PAR），這樣就會使得功率放大器的效率大大惡化。而采用Doherty技術(shù)的功率放大器能夠有效地改善放大器在回退后的效率，并且其電路結(jié)構(gòu)比EER（Envelope Elimination and Restoration）和LINC（Linear amplification using Nonlinear Componen

3、ts）更加簡單和易實現(xiàn)。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。12 但是，傳統(tǒng)的Doherty并不能夠同時達(dá)到在高功率和低功率狀態(tài)下的匹配。因此，本文將介紹一種負(fù)載阻抗匹配的匹配方法3，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。在后面章節(jié)中，將詳細(xì)地介紹負(fù)載牽引的理論和運(yùn)用ADS對Doherty功率放大器的設(shè)計過程。2 Doherty功率放大器的設(shè)計理論 2.1 Doherty功率放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳統(tǒng)Doherty功率放大器電路結(jié)構(gòu)是貝爾實驗室的W.H.Doh

4、erty于1936年研發(fā)出來的。它包括兩個放大器：載波放大器（Carrier Amplifier）和峰值放大器（Peaking Amplifier）。兩個放大器并聯(lián)，載波放大器后串聯(lián)的/4微帶線主要起阻抗變換作用，峰值放大器前的/4微帶線主要是起相位平衡的作用。12圖1 傳統(tǒng)雙級Doherty功率放大器原理圖2.2 有源負(fù)載牽引Doherty電路中，當(dāng)載波放大器接近飽和狀態(tài)時峰值放大器輸出電流，從而減小載波放大器的輸出阻抗，以此使得載波放大器在飽和時輸出更大的電流。如圖2（a）所示，得到兩個放大器的負(fù)載阻抗的公式（2.1）（2.2）。圖2（b）為基頻電流隨輸入電壓變化圖，圖2（c）放大器負(fù)載阻

5、抗隨輸入電壓變化圖。ZT,0<vinVin,maxZL2ZTZC=,Vin,max<vin<Vin,max                           （2.1） IP1+ZLIC,0<vinVin,max2ICZP=      

6、;                    （2.2） ZL(1+),Vin,max<vin<Vin,maxIPIC(a) 7ZoI6ZoLoad Impedance( )5Zo4Zo3Zo2ZoZoFundamental CurentInput Voltage AmplitudexInput Voltage Amplitude   &#

7、160;   (b) (c)圖2 Doherty功放電流和負(fù)載牽引圖2.3 功放的單管仿真首先，需要使用ADS中提供的LoadPull和SourcePull仿真功能對功放管進(jìn)行負(fù)載牽引仿真,從而得到該功放管在Smith圓圖上的最佳效率點（PAE）和最佳功率傳輸點（Pdel）。根據(jù)這兩個點和功放指標(biāo)的折中選擇最佳Source和Load匹配點，從而進(jìn)行單管仿真。如圖3(a)(b)為對功放管MRF6S21050進(jìn)行的LoadPull和SourcePull仿真的結(jié)果。其中LoadPull阻抗是6.965j*8.835，SourcePull阻抗是21.57j*15.966。

8、 (a)                             (b)                   

9、                     圖3  單管LoadPull和SourcePull的結(jié)果 然后，根據(jù)這兩個阻抗進(jìn)行單管的功率放大器的共軛匹配,  得到單管電路和仿真結(jié)果如圖4(a)為單管仿真，(b)為單管仿真的功率傳輸增益和效率的結(jié)果所示。 I_ProbeI_ProbeHB1Freq1=RFfreqOrder1=7Us

10、eKrylov=noSweepVar="RFpower"SweepPlan="Coarse"CoarseStart=5 Stop=25 Step=2 Lin=UseSweepPlan=yesSweepPlan="Fine"Reverse=noFineZload=50Vhigh=28 VStart=26 Stop=45 Step=0.5 Lin=Vlow=2.72 VUseSweepPlan=SweepPlan=Reverse=no(a) indep(m4)=47.228Transducer Power Gain, dBFun

11、d. Output Power, dBmGain Compressionbetween markers, dBPAE, %Fund. Output Power, dBm945.1 mOutput Powerat Marker m2, dBm(b) 圖4 功放單管仿真電路和結(jié)果 2.4 載波放大器和峰值放大器的全功率匹配設(shè)計1 載波放大器全功率匹配 如圖1所示，在低功率狀態(tài)下（0<Vin<Vin,max/2），載波放大器的輸出阻抗R1=2*R0，而單管功放是在R0情況下進(jìn)行匹配。所以，需要分別加入一段阻抗為R0的對消傳輸線（offse

12、t transmission lines），使得在低功率狀態(tài)下，也可以達(dá)到較好的匹配效果。 (a)                                       (b

13、) 圖5 載波放大器負(fù)載阻抗?fàn)恳?#160;如上圖5所示，(a)為低功率狀態(tài)下(R1=2*R0)，LoadPull結(jié)果。如圖(b)所示，當(dāng)加入一段對消傳輸線（offset transmission lines）后，隨傳輸線的長度變化會形成一個以R1=R0時的輸出阻抗為圓心、VSWR=2的駐波圓，所以可以得到Lmain_offset_line=21mm。 2峰值放大器全功率匹配 如圖6(a)所示，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)Doherty功率放大器的峰值放大器在低功率狀態(tài)下的輸出阻抗在低阻抗區(qū)，這將使得載波放大器的輸出電流不能全部經(jīng)過負(fù)載。所以，也需要加入對消傳輸線

14、（offset transmission lines）Lpeaking_offset_line=17.85mm使得在低功率狀態(tài)下，峰值放大器的輸出阻抗可以從低阻區(qū)到高阻區(qū)，如圖6(b)所示。m1freq=2.142GHzS(2,2)=0.802 / 151.631impedance = Z0 * (0.117 + j0.249S(2,2)freq=2.142GHzS(2,2)=0.796 / -0.563S(2,2)freq (2.110GHz to 2.170GHz)freq(2.110GHzto2.170GHz) (a)   &#

15、160;                                           (b) 圖6 峰值放大器負(fù)載牽引圖 經(jīng)過載波放

16、大器和峰值放大器的負(fù)載牽引后，Doherty功率放大器可以達(dá)到全功率匹配的效果。 2.5 Doherty放大器的仿真設(shè)計根據(jù)以上仿真結(jié)果，可以得到等功分Doherty功率放大器如圖7(a)所示，該Doherty功率放大器選用P1dB為50W的MRF6S21050。采用90o混合耦合器來獲得峰值放大器的90o相移和1：1的等功率分配。加入四段對消傳輸線（offset transmission lines），除了2.4中提到的兩段用于負(fù)載牽引，另外的兩段用于平衡兩路信號的相位。最后，T型節(jié)用于功率合成和載波放大器的90o相移。I_ProbeI_ProbeMur=1Co

17、nd=5.8E+7Hu=3.9e+034 milT=0.015 mmTanD=0.003Rough=0 milHB1Freq1=RFfreqOrder1=9UseKrylov=noSweepVar="RFpower"SweepPlan="Coarse"CoarseStart=5 Stop=25 Step=2 Lin=UseSweepPlan=yesSweepPlan="Fine"Reverse=noFineStart=26 Stop=40 Step=0.5 Lin=UseSweepPlan=SweepPlan=Reverse=no&#

18、160;(a) indep(m6)=44.266Transducer Power Gain, dBFund. Output Power, dBmGain Compressionbetween markers, dBPAE, %Fund. Output Power, dBmOutput Powerat Marker m2, dBm (b) 圖7 Doherty功率放大器電路圖和仿真結(jié)果 如圖7(b)為兩級等分Doherty功率放大器的傳輸功率增益和效率的仿真結(jié)果。傳輸功率增益從可以得出該放大器功率增益在15dB左右，其P1dB點在49dBm,3d

19、B壓縮點達(dá)到50dBm。從效率圖上，可以明顯看出在功率回退6dB的效率達(dá)到52%遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的AB類放大器，這充分地體現(xiàn)出了Doherty放大器的優(yōu)點。 3 結(jié)論 從以上步驟可以得到一個全功率匹配Doherty功率放大器的設(shè)計和仿真過程?？梢钥闯?，Doherty功率放大器在功率6dB回退點上可以得到高效率的特點，非常有利于運(yùn)用于現(xiàn)代不同峰均比（PAR）移動通信系統(tǒng)中。并且，根據(jù)通信系統(tǒng)不同的峰均比的要求，還可以采用非等分，非對稱以及多路Doherty功率放大器等方式來實現(xiàn)不同dB的功率回退。比如，功分比為1：2功率回退9.5dB；功分比為1：3功率回退12dB；功分

20、比為1：3：4功率回退6dB和12dB。45 參考文獻(xiàn) 1 W .H .Doherty, “A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves,”Proc.IRE, Vol. 24, No. 9, pp. 11631182, Sep.1936. 2 Frederick H. Raab,

21、 “Efficiency of Doherty RF PowerAmplifier Systems,” IEEE Trans. Broadcasting, Vol. BC33, No. 3, pp. 7783, Sep. 1987. 3 Y. Yang, J. Yi, Y. Y. Woo and B. Kim,

22、0;“Optimum design for linearity and efficiency of microwave Doherty amplifier using a new load matching technique,” Microw. J., vol. 12, no. 4, pp. 2036, Dec. 2001. 4 M. Iwamoto, A. Williams, P. Chen, A. G. Metzger, L. E. Larson, and P. M. Asbeck,“An extended Doherty