◊ 按照AB類功放的方法設(shè)計(jì)輸入輸出匹配。
干貨:高效率Doherty功率放大器
發(fā)布時(shí)間:2019-05-16 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】射頻功率放大器被廣泛應(yīng)用于各種無線通信設(shè)備中。在通訊基站中,線性功放占其成本比例約占1/3。高效率,低成本的解決功放的線性化問題顯得非常重要。因此高效率高線性的功放一直是功放研究的熱門課題。
射頻功率放大器被廣泛應(yīng)用于各種無線通信設(shè)備中。在通訊基站中,線性功放占其成本比例約占1/3。高效率,低成本的解決功放的線性化問題顯得非常重要。因此高效率高線性的功放一直是功放研究的熱門課題。
1.Doherty功率放大器應(yīng)用背景
伴隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的高速發(fā)展,通信產(chǎn)品已經(jīng)廣泛的融入了人們的生活中,對(duì)人們的影響越來越大。射頻功率放大器作為無線通信系統(tǒng)中主要器件之一,其性能對(duì)系統(tǒng)終端的影響重大。無線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)由傳統(tǒng)的GSM標(biāo)準(zhǔn)到第三代通信標(biāo)準(zhǔn)WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000,以及今天的第四代通信標(biāo)準(zhǔn)LTE(Long Term Evaluation)。信號(hào)的調(diào)制方式也隨之發(fā)生改變,由恒包絡(luò)調(diào)制向包絡(luò)變換調(diào)制方式轉(zhuǎn)變。
例如,在WCDMA中采用的OFDM包絡(luò)變換調(diào)制方式,其傳輸功率有著較高的均峰比,來滿足最大限度的增加系統(tǒng)的容量。因此需要功率放大器能夠在一定的功率回退中保證PA的線性度。但是傳統(tǒng)的功率放大器在功率回退范圍內(nèi)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變得尤為重要。提高效率的方法有很多, Doherty功率放大器技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單,性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì),早已成為基站功率放大器研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前射頻功率放大器的設(shè)計(jì)正圍繞著“高效率”、“多波段”、“高線性化”的方向發(fā)展。
2.Doherty功率放大器架構(gòu)
圖1
3.Doherty功率放大器工作原理概述
Doherty結(jié)構(gòu)由2個(gè)功放組成: 一個(gè)Main Amplifier(主功放),一個(gè)Peak Amplifier(輔助功放),主功放工作在AB類,輔助功放工作在B類或C類。兩個(gè)功放不是輪流工作,而是主功放一直工作,輔助功放到設(shè)定的峰值才工作。主功放后面的四分之一波長線是阻抗變換,目的是在輔助功放工作時(shí),起到將主功放的視在阻抗減小的作用,保證輔助功放工作的時(shí)候和后面的電路組成的有源負(fù)載阻抗變低,這樣主功放輸出電流就變大。由于主功放后面有了四分之一波長線,為了使兩個(gè)功放輸出同相,在輔助功放前面也需要四分之一波長線,用以平衡二路的相位。如圖1所示。
4.Doherty功放工作的三個(gè)階段
Doherty技術(shù)是有源負(fù)載調(diào)制技術(shù),主功放的負(fù)載隨著信號(hào)強(qiáng)度的變化而變化。從輸入信號(hào)強(qiáng)度劃分,Doherty功放的工作區(qū)域可以大致分為三個(gè)階段:小信號(hào)階段、中等信號(hào)階段和大信號(hào)階段。如圖2所示。
a)小信號(hào)階段
在小信號(hào)階段,由于峰值功放工作在B類或C類,信號(hào)強(qiáng)度不足以使其工作,因此其截止,呈現(xiàn)開路狀態(tài)。主功放由于四分之一波長變換線將等效負(fù)載變?yōu)?00Ω,負(fù)載電壓升高,使主功放提前進(jìn)入預(yù)飽和狀態(tài),效率提高。
b)中等信號(hào)階段
當(dāng)信號(hào)逐漸增強(qiáng)時(shí),輔助功放開啟,有源調(diào)制效應(yīng)出現(xiàn),主功放的等效負(fù)載由100Ω向50Ω的方向減小(并沒有達(dá)到50Ω),而主功放的電壓受到輔助功放牽制保持預(yù)飽和狀態(tài),輔助功放的負(fù)載由開路狀態(tài)向50Ω轉(zhuǎn)變。
此時(shí)功放由最大效率狀態(tài)向最大輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)變,效率維持不變(理想情況),線性有所提高。
c)大信號(hào)階段
隨著輸入信號(hào)的逐漸增強(qiáng),輔助功放和主功放的電流增大,主功放的輸出電壓不變(理想情況),保持高效率。而主功放的負(fù)載繼續(xù)減小,輸出功率增加,當(dāng)輔助功放達(dá)到飽和時(shí),主功放和輔助功放的電流都達(dá)到了最大值。主功放,輔助功放負(fù)載均為50Ω,輸出功率達(dá)到最大。
5.Doherty功放的設(shè)計(jì)
a)Doherty功放的缺點(diǎn)和注意點(diǎn)
前面提到了Doherty結(jié)構(gòu)簡單和效率高的特點(diǎn),但它也有不可克服的缺點(diǎn),增益降低,帶寬減小,敏感度高。
●增益降低
Doherty功放和AB類功放相比,其增益降低了2-3dB,原因是輔助功放處于C類,而末級(jí)功放的增益降低會(huì)影響到Doherty功放設(shè)計(jì),因此在設(shè)計(jì)選擇推動(dòng)級(jí)時(shí),要考慮到增益降低帶來的影響,多留出設(shè)計(jì)余量。
●帶寬減小
通過調(diào)試或者仿真可以看出,Doherty是個(gè)窄帶系統(tǒng),帶寬小,尤其是線性。調(diào)試時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)調(diào)好高端后,發(fā)現(xiàn)低端又不能滿足指標(biāo)要求。原因是阻抗變換和1/4波長變換線的窄帶特性導(dǎo)致的。
●敏感度高
前面提到Doherty的實(shí)質(zhì)就是有源負(fù)載調(diào)制,兩路功放相互影響程度較大,敏感度較高。由于這種敏感度存在,所以研發(fā)階段應(yīng)該在比較敏感的地方預(yù)留一些可調(diào)試的部分(焊盤),便于生產(chǎn)中校正其離散性。
b)Doherty功放設(shè)計(jì)要點(diǎn)
功放主要是由功放管,偏置電路,匹配電路三部分組成,關(guān)注的要點(diǎn)是效率,線性,穩(wěn)定性。
●穩(wěn)定性
不穩(wěn)定是功放設(shè)計(jì)中比較忌諱的事情。輕則雜散大,重則無法正常工作。比如自激,燒LDMOS管等。其實(shí)不穩(wěn)定就是放大器變成了振蕩器。設(shè)計(jì)時(shí)可以通過如下措施進(jìn)行避免。
◊ 偏置電路反饋及處理辦法
采用1/4波長微帶線和去耦電容的方法阻止反饋回路的形成。
PCB板和地平面的要有足夠多的螺釘固定,并且在功放管附近保證良好接地。
◊ 結(jié)構(gòu)分腔設(shè)計(jì)
單個(gè)腔體中增益過高容易引起空間的耦合,加蓋板影響較大。單個(gè)腔體內(nèi)的增益最好小于30dB,過高的增益需要分腔設(shè)計(jì),兩路之間要用金屬隔擋,盡量長,蓋板上增加屏蔽條,有效隔斷減小相互影響。
◊ 兩級(jí)級(jí)間的考慮
在直接級(jí)聯(lián)時(shí),放大器間的影響是不可消除的。即使單級(jí)放大器是穩(wěn)定和指標(biāo)良好的,但級(jí)聯(lián)效果不一定就好,這時(shí)就需要增加隔離器或者電阻衰減網(wǎng)絡(luò)。
c)Doherty功放的設(shè)計(jì)思路
◊ 按照AB類功放的方法設(shè)計(jì)輸入輸出匹配。
◊ 按照Doherty的架構(gòu)組合兩路功放,并加上offset線。
◊ 在整體架構(gòu)上調(diào)整各offset線的長度以實(shí)現(xiàn)高效率和高線性。
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