4G-LTE系統中反向Doherty功率放大器設計

一、引言

隨著(zhù)通信系統的快速發(fā)展，當下各國都在加速4G網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的步伐。更高速，更優(yōu)質(zhì)，更靈活的眾多優(yōu)點(diǎn)，讓4G網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)無(wú)可比擬的優(yōu)越性。而高 數據傳輸率和多模傳輸對通信系統產(chǎn)生了極大影響，復雜的調制方式無(wú)疑對基站中的核心模塊功率放大器提出了更高的線(xiàn)性度要求，同時(shí)也要求更高的信道帶 寬，PA的研究也成為當今的熱門(mén)研究領(lǐng)域。DXY鼎芯長(cháng)期以來(lái)在微波射頻研究領(lǐng)域也作了大量投入，涵蓋無(wú)線(xiàn)通信(直放站、基站、RRU、WLAN)、WIFI、CMMB、ISM（　工業(yè)、科學(xué)、醫療）等，公司的微波射頻實(shí)驗室已成為NXP和清華大學(xué)微電子研究所的應用工程實(shí)驗室，本文設計的反向Doherty功率放大器便是其中產(chǎn)品之一。

PA作為收發(fā)信機的核心組成部分，約占其系統能耗的1/3。傳統的基站功放是通過(guò)功率回退，單純犧牲功放效率來(lái)提升線(xiàn)性度。為了降低通信運營(yíng)商的運營(yíng)成本，順應綠色通信發(fā)展大趨勢，提高PA效率的研究已是迫在眉睫。而傳統的DPA在功率回退一定范圍內也能提供足夠高的效率，足見(jiàn)DPA的研究就顯得尤為重要。和傳統DPA相比，IDPA結構峰值放大器后的1/4波長(cháng)傳輸線(xiàn)在補償相位的同時(shí)，還能減少功率泄露，進(jìn)一步提高了功放效率。

二、IDPA的工作原理

傳統的DPA包括載波功率放大器和峰值功率放大器，載波功放工作于B類(lèi)或AB類(lèi)，峰值功放工作于C類(lèi)。載波功放一直都在工作，而峰值功放在峰值時(shí)才開(kāi)啟工作。當載波功放達到飽和態(tài)而峰值功放將要開(kāi)啟工作時(shí)，效率達到B類(lèi)功放的理論最大值78.5%。隨著(zhù)輸入信號逐漸加大，峰值功放開(kāi)啟工作，從而減小了載波功放的視在阻抗，相當于給載波功放串聯(lián)了一個(gè)負阻抗。此時(shí)載波功放一直處于飽和狀態(tài)，其輸出電壓恒定，隨著(zhù)輸出阻抗的不斷減小，載波功放的輸出電流也不斷變大。當峰值功放達到飽和態(tài)時(shí)，其效率也達到最大。一個(gè)B類(lèi)功放在峰值時(shí)才能達到效率最大值，而此Doherty功放只需在峰值的一半即能達到效率最大值。

在載波功放后面的1/4波長(cháng)傳輸線(xiàn)起阻抗變換作用，同時(shí)也使兩路功放產(chǎn)生了90°相差，為了使兩路功放輸出同相，就需要在峰值功放前補充90°相移。DPA結構框圖如下

相比傳統的DPA結構，IDPA結構的1/4波長(cháng)傳輸線(xiàn)補充在峰值功放后面，在起到相位補償的同時(shí)，還能減小功率泄露，進(jìn)一步提高了功放效率。IDPA結構如下圖。

對于DPA技術(shù)，在載波放大器達到飽和狀態(tài)時(shí)，峰值放大器才開(kāi)啟工作，這樣才能保證功放在回退一定范圍內效率始終維持在一個(gè)較高的水平，不至于急劇下降。

在小信號工作階段，載波放大器正常工作，峰值放大器關(guān)斷未工作。

此時(shí)峰值放大器相當于開(kāi)路狀態(tài)，阻抗Z2無(wú)窮大，避免了載波放大器的功率泄露。載波功放后的1/4波長(cháng)傳輸線(xiàn)起阻抗變換作用，即Z0*Z0=Z1*Z3，Z4*Z4=R*Z3。當Z0=R=50歐且Z4=0.707R時(shí)，Z3=25歐，Z1=2Z0=100歐。

在大信號工作階段，峰值放大器開(kāi)啟工作，可以看成是載波功放的有源負載。

假設載波功放和峰值功放是等功率輸入，則載波功放的輸出阻抗Z1由2R逐漸減小，從而能輸出更大的功率，使IDPA的效率始終維持在較高的水平，不至于在功率回退一定范圍內，效率出現急劇下降。由于兩路功放的電路網(wǎng)絡(luò )相同，從而會(huì )有相同的輸出功率，相同大小的電流輸出。此時(shí)Z1=Z2=Z3=Z0=R=50歐。

三、IDPA的設計

本設計選用的功放管是NXP的BLF8G27LS-100P，載波放大器工作于A(yíng)B類(lèi)，柵壓選為1.99V，峰值放大器工作于C類(lèi)，柵壓選為0.67V。

針對不同飽和功率和效率設計輸入輸出匹配電路。漏極采用雙邊平衡饋電結構，電路由RF濾波電容、包絡(luò )頻率去耦電容以及1/4波長(cháng)微帶線(xiàn)組成，此微帶線(xiàn)長(cháng)度可根據功放性能進(jìn)行調整，盡可能短路掉包絡(luò )頻率電壓。通過(guò)對偏置電路網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)化，進(jìn)一步降低記憶效應的影響，提高視頻帶寬VBW，以提高功放的寬帶特性。