一种紧凑型Doherty放大器设计方法
发布时间：2022-09-01 11:17:02
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
本文描述了395MHz-455MHz Doherty放大器的一种紧凑型设计方法。在本文中，90度混合电桥被用作Doherty合成器，用来替代传统的四分之一波长线来实现Doherty合成器，随着应用频率的降低四分之一波长线将占用更大的布板面积，甚至有的时候无法实现。在本文中，我们设计实现了一种非常紧凑型的Doherty放大器，并将和基于相同输入输出匹配电路实现的平衡式AB类放大器做性能对比，最终我们设计实现了在输出功率43dBm时，漏极效率43%，未校正邻道泄漏比-33dBc，输出信号的峰均比7.5dB。
早在1936年，W.H. Doherty首次提出了一种高效节能的放大器结构[1]。由于效率高，结构简单并且不需要复杂的外围电路，Doherty放大器获得了非常广泛的应用。典型的Doherty放大器结构框图如图1所示，由载波放大器，峰值放大器以及Doherty合成器组成。传统的Doherty合成器会随着频率的降低占用更大的PCB板面积，甚至有的时候体积庞大到无法实现布板。如果采用传统设计方法，在RO4350B 20mil基材上设计实现395MHz-455MHz的Doherty合成器，合成器中的每条四分之一波长线长度将超过100mm，这就意味着需要更大的PCB板面积，从而增加了产品的成本。
图1、Doherty放大器的结构框图
在本文中，基于90度混合电桥，我们设计并实现了一种非常紧凑型的Doherty高效放大器，其中载波放大器和峰值放大器采用飞思卡尔的功率放大器MRFE6S9045N。为了更好地理解本设计，我们将分析传统Doherty放大器的工作原理，并将与本设计的工作原理作对比。
1、设计方法
本文中的90度混合电桥采用ANAREN公司的11303-3。90度混合电桥其等效的分支线耦合器的电路图如图2所示。尽管90度混合电桥和分支线耦合器具有相同的功能，但是就395MHz-455MHz频率而言，实现体积相差甚远，11303-3器件的封装面积为16mm*12mm，如果在RO4350B 20mil厚基材上设计395MHz-455MHz分支线耦合器，其占用的布板面积约为100mm*100mm。运用奇偶模分析方法分析分支线耦合器[2]，我们可以得到图2中(b) (c) (d)电路在电气功能上是完全等效的，图2中电路(e)和电路(f)在电气功能上是完全等效的。当然，我们也可以借助安捷伦仿真软件Advanced Design System (ADS) 进行S参数仿真，以验证上述结论。
图2、90度混合电桥的微带等效电路
通过上述分析，我们可以看出90度混合电桥和传统的Doherty合成器具有完全相同的电气性能，对于低频应用而言，90度混合电桥实现面积更小。
Doherty放大器的基本工作原理是有源负载牵引[3]。正如图1所示，Doherty放大器由载波放大器和峰值放大器组成，Doherty合成器将在载波放大器和峰值放大器连接在一起。为了能够更好地理解Doherty放大器的工作原理，本文用安捷伦的Agilent’s Advanced Design System (ADS)软件搭建了仿真工程如图3所示。在仿真工程中，我们将把功率放大管抽象成理想的压控电流源，在归一化输入电压前提下，通过图3中的VAR expression控件设置 载波放大器和峰值放大器电流，载波放大器和峰值放大器电流和输入电压的关系曲线如图4左上子图所示。
图3、Doherty 放大器工作原理仿真工程
当归一化输入电压为（0~0.5）时，输出匹配电路呈现给载波放大器的阻抗是所对应的传统AB类放大器阻抗的两倍，如图4左下子图所示。由于输出匹配电路阻抗提高到传统AB类放大器的两倍，所以当归一化输入电压达到0.5时，载波放大器将达到传统放大器临界饱和点，因此效率也将达到临界饱和点的效率，比如B类放大器的临界饱和效率为Pi/4。在这个输入电压范围内载波放大器和基于同样器件设计的传统AB类放大器相比，因为载波放大器输出匹配电路所呈现的阻抗是传统AB类放大器的两倍，所以理论上载波放大器的增益将要高出AB类放大器3dB，输出1dB压缩点降低3dB。
当归一化输入电压为（0.5~1）时，峰值放大器开始工作导通，峰值放大器输出的电流在Doherty有源负载牵引技术中扮演重要作用。如图4右上子图所示，在归一化输入电压为（0.5~1）范围内载波放大器始终保持在临界饱和状态，所以载波放大器的效率始终保持在临界饱和效率，载波放大器输出匹配电路所呈现的阻抗也将由2Zopt调制到Zopt，相对应的峰值放大器输出匹配电路所呈现的阻抗将有无穷大调制到Zopt，如图4左下子图所示。此时归一化的峰值放大器的漏极电压也将由0.5调制到1，因此峰值放大器也将由临界饱和效率的50%，逐步提高到临界饱和效率，最终Doherty放大器的合成效率如图4右下子图所示。同样我们也可以通过ADS仿真验证，理想Doherty放大器的输入输出功率是完全线性的[4][5]。
图4、Doherty放大器ADS仿真结果
2、设计实现
本文采用MRFE6S9045N设计实现了紧凑型395MHz-455MHz Doherty放大器，为了对比Doherty放大器的性能，本文也同样制作调试了基于同样器件同样匹配电路的AB类，平衡式放大器，设计实现的Doherty放大器如图5所示。在输入端口，我们采用90度混合电桥将功放输入信号一分为二，分别送给载波放大器和峰值放大器，载波放大器偏置在AB类，静态偏执电流为350mA。峰值放大器偏置在C类，栅极偏置电压为1.5V，载波放大器和峰值放大器放大后的信号将通过另一个90度混合电桥合成后输出。如图5所示，输出90度混合电桥的隔离端口的一段50欧姆的开口线，其作用是作为载波放大器和峰值放大器共同的相位补偿线。
图5、紧凑型Doherty放大器实物图
3、测试结果
在本文中，将用连续波单音信号测试所设计的功率放大器性能。选取395MHz和455MHz测试结果罗列如下。
在395MHz处，测试所得的增益和效率对输出功率的曲线如图6所示，测试数据显示在输出功率为43dBm时，功放漏极效率为43%， 饱和输出功率高于49dBm。
图6、395MHz 增益和效率测试数据
在455MHz处，测试所得的增益和效率对输出功率的曲线如图7所示，测试数据显示在输出功率为43dBm时，功放漏极效率为45%， 饱和输出功率高于49dBm。
图7、455MHz 增益和效率测试数据
典型的单载波W-CDMA信号测试性能如表1所示，测试所用输入信号的峰均比为9.9dB（在互补累计分布函数概率为0.01%条件下测得）功放输出平均功率为43dBm。
表1、Doherty 放大器单载波W-CDMA信号测试性能
为了对比所设计的Doherty放大器和传统AB类放大器性能，本文设计调试了一个基于同样器件和同样匹配电路的平衡式AB类放大器，典型的单载波W-CDMA信号测试性能如表2所示，测试所用输入信号的峰均比为9.9dB（在互补累计分布函数概率为0.01%条件下测得），功放输出平均功率为43dBm，从表2中我们可以看出，对于同样的43dBm的输出功率，Doherty放大器呈现了更高的效率，平衡式放大器呈现了更好的线性。
表2、AB类的平衡式放大器W-CDMA信号测试性能
4、结论
本文提出了一种395MHz到455MHz紧凑型Doherty放大器的设计方法， 采用了飞思卡尔公司的LDMOS器件MRFE6S9045N。设计实现了在单载波W-CDMA输出平均功率为43dBm时，漏极效率高于43%，相对于传统的Doherty放大器设计方法，本文呈现了一种紧凑型Doherty设计方法，节约了PCB板的面积，并且达到了很好的性能。本文也证明了在低频段设计应用上，90度混合电桥可以用来作为Doherty的合成器。
本文作者特别感谢飞思卡尔公司提供的帮助，包括提供ADS仿真环境以及测试平台。
本文转载自微波射频网公众号，作者：王洪胜 王尧青 赵明，安富利电子元件
参考文献：
[1] W. H. Doherty, “A new high efficiency power amplifier for modulated waves,” Proc. IRE, vol. 24, no. 9, pp. 1163–1182, Sep. 1936
[2] Reinhold Ludwig, Gene Bogdanov, RF Circuit Design Theory and Applications. Beijing, China: Publishing House of Electronics Idustry.
[3] S.C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications. Norwood, MA: Artech House, 1999.
[4] Y. Yang, J. Yi, Y.Y. Woo, and B. Kim, “Optimum design for linearity and efficiency of microwave doherty amplifier using a new load matching technique,” Microwave J., vol. 44, no. 12, pp. 20–36,
[5] F.H. Raab, “Efficiency of Doherty RF power amplifier system,” IEEE Trans. Broadcast., vol. BC-33, no. 3, pp. 77–83, Sep. 1987.
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