高效率高线性的功放怎么实现？

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。

张览秀

2019-9-17 15:45:44

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。
Doherty功率放大器架构

图1
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威廉希尔官方网站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。

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。
Doherty功率放大器架构

图1
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威廉希尔官方网站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。

张旭

2019-9-17 15:45:49

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。

图二
1．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。
2．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。
3．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。
Doherty功放的设计
1．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。
2．Doherty功放设计要点
功放主要是由功放管，偏置威廉希尔官方网站，匹配威廉希尔官方网站三部分组成，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。
－偏置威廉希尔官方网站反馈及处理办法
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。
3．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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李慧芳

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张览秀

张旭

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