基于ADS平台不对称Doherty功率放大器的仿真设计

第１９卷

Ｖ０１．１９

第ｌｌ期

Ｎｏ．１ｌ

电子设计工程

ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

２０１１年６月

Ｊｕｎ．２０１１

基于ＡＤＳ平台不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的仿真设计

张敏翔。汤碧玉

（厦门大学信息科学与技术学院。福建厦门３６１００５）

摘要：为在高线性的前提下提高ＷＣＤＭＡ基站系统中功率放大嚣的效率，仿真设计了一款工作于２．１４ＧＨｚ频段不

对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器。基于ＡＤＳ平台，采用ＭＲＦ６Ｓ２１１４０ＨＬＤＭＯＳ晶体管，通过优化裁波放大器和峰

值放大器的栅极偏置电压改善三阶互调失真（ＩＭＤ３）。同时通过调节输入功率分配比例改善由于峰值放大器对载波

放大器牵引不足导致的失配问题。从而改善不对称Ｄ０ｈｅ啊功率放大器的输出性能。仿真结果表明，当载波放大器的

栅极偏置电压为２．８４Ｖ．峰值放大器的栅极偏置电压为Ｏ．８５Ｖ并且输入功率比例为１：２．３，输出功率为４４ｄＢｍ时其功率附加效率（ＰＡＥ）为２４．２ｌ％，ＩＭＤ３为—似．４６ｄＢｃ，和传统ＡＢ类平衡功率放大器相比ＰＡＥ提高了８．５８％，ＩＭＤ３改善了６．９８

ｄＢｃ。

ＬＤＭＯＳ

关键词：不对称Ｄｏｈｅ啊功率放大器；功率附加效率；三阶互调失真；栅极偏王电压；ＭＲＦ６Ｓ２１１４０Ｈ

中图分类号：’ＩＮ８３７

，

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７４－６２３６（２０１１）１１－００３４．Ｄ３

ｏｎ

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ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；，ｐｏｗｅｒ－ａｄｄｅｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｔｈｉｒｄ－ｏｒｄｅｒｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ；ｇａｔｅｂｉａｓ

１４０Ｈ

ＬＤＭＯＳ

对于现代无线通信系统，多载波、宽带、高传输速率已经成为其发展的方向。随着频谱资源的日益紧张，为了在有限的带宽内传输更多的数据。在ＷＣＤＭＡ系统中采用ＢＰＳＫ和ＱＰＳＫ等非线性调制方式。系统的瞬时传输功率产生较高的峰均比．功率放大器需要通过较大的功率回退的方式来满足系统对线性度的要求。目前ＷＣＤＭＡ基站或直放站中的功率放大器是最主要的功耗单元。为了满足系统线性度的要求通常偏置在Ａ类和ＡＢ类．效率都比较低Ｉ”。一般在８％一１５％。因此．研究设计线性高效的射频功率放大器成为功率放大器研究领域的一个热门课题。Ｄｏｈｅｒｔｙ结构的功率放大器以其效率高、实现方法简单、成本低廉等优点引起了人们越来越多的关注和研究。本文基于ＡＤＳ仿真平台，在深入研究分析收稿日期：２０１ｌ—０５—１６

稿件编号：２０１１０５０５６

Ｄｏｈｅｒｔｙ结构的工作原理和优缺点的基础上。设计了一款满足ＷＣＤＭＡ基站性能要求的不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器。

１不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的基本理论

１．１传统Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的工作原理

传统Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的结构示意图如图Ｉ所示。它一般由载波放大器（ＣａｒｒｉｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）和峰值放大器（ＰｅａｋｉｎｇＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）并行连接组成。其中载波放大器一般偏置在ＡＢ类工作模式．输出端串联一个微带线起阻抗变换的作用；峰值放大器一般偏置在Ｃ类工作模式。输入匹配网络前端附加的

微带线起到相位平衡的效果闻。

由图ｌ可以看出。传统Ｄｏｈｅｒｔｙ结构的功率放大器有两种工作状态：低输出功率状态（图ｌ中的有斜条纹）和高输出

作者简介：张敏翔（１９８４一）。男。福建闽清人，硕士研究生。研究方向：非线性电路与射频系统。

－３４－

万方数据

张明翔．等基于ＡＤＳ平台不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的仿真设计

１１

图１

传统Ｄｃｌｈｅ啊功率放大器的结构示意图

睇１

ＡｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅＤｏｈｅｒｔｙａｍｐｌｉｆｉｅｒ

功率状态（图ｌ中的无斜条纹）。在高输出功率状态，理想情况下２个放大器的输出电流大小相等。载波放大器和峰值放大器产生相等的输出功率。这时载波放大器和峰值放大器的负载阻抗都为尺。，通常情况下Ｒｏ＝５００。在低输出功率状态，峰值放大器截止不工作，只有载波放大器导通工作。理论上此时的峰值放大器的输出阻抗趋于无穷大，峰值放大器对负载网络阻抗的影响可以忽略。载波放大器输出端的负载阻抗通过特性阻抗为的尺。的Ａ，４微带线将的凰，２变换到２Ｒ。，这样可以实现在低输出功率状态下高的负载阻抗达到效率的提高。此时载波放大器的饱和输出功率要比总的峰值输出功率小４倍．即传统Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器在低输出功率区域的饱和输出功率要比峰值饱和输出功率低６ｄＢ．从而实现了提前饱和的目的，提高功率回退时的效率。１．２不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的基本理论

传统Ｄｏｈｅｒｔｙ结构的功率放大器．载波放大器偏置在ＡＢ类，而峰值放大器一般偏置在Ｃ类，当输入的信号相同，峰值放大器的电流必然低于载波放大器的电流。在输出功率饱和时由于两个放大器的输出电压相等。峰值放大器的输出功率必然小于载波放大器的输出功率。这与理想的情况不同。根据有源负载牵引理论，当峰值放大器的电流没有达到理想值时．必然导致峰值放大器对载波放大器的牵引不足，使得载波放大器的输出阻抗在从高阻１００Ｑ向５０Ｑ

的低阻抗变化过程中，没有牵引到５０Ｑ嗍。最终影响到Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的性能。不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器是在传统Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的基础上做的改进．一般有不对称功率驱动和不同的功率放大器管ｆ蚓这两种实现方法。和采用不同的功率放大器管这种实现方法相比。不对称功率驱动的方案在结构上要相对简单，容易实现。对于不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器，在低输出功率状态，载波放大器偏置在ＡＢ类，峰值放大器截止。功率放大器的线性度主要取决于载波放大器。在高输出功率状态，不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的线性度可以通过调节两个功率放大器管的栅极偏置优化ＩＭＤ３性能。因此在设计中。可以不断的调节载波放大器和峰值放大器的输入功率分配比和栅极偏置电压。使得设计的不对称功率放大器性能最佳。在下面的章节中。基于

ＡＤＳ仿真平台．选用飞恩卡尔的ＭＲ嗽１１４０Ｈ功放管ｃ７Ｉ设

计了一款工作在２．１４ＧＨｚ频段ＷＣＤＭＡ基站的不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器。

万方数据

ｍ

２不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的仿真设计

在仿真设计中，利用ＡＤＳ平台可以很好的简化设计步骤，缩短研发周期。仿真设计中所用到的ＭＲＦ６Ｓ２１１４０Ｈ功放管模型是由飞思卡尔提供的一种半经验模型。仿真设计中通过对晶体管直流偏置和稳定性的仿真分析。确定了晶体管的

静态工作点和稳定状态。利用ＡＤＳ中的负载牵引和源牵引

仿真得到晶体管一簇不同阻抗值的等功率圆和等效率圆。分析得到适用于不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的最佳阻抗值．同时

在偏置电路中应用优化阻抗法较好地降低了电记忆效应唧。通过在匹配网络中综合考虑补偿网络的设计思想．设计补偿线，更有效的抑制了不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的功率泄露．提高了输出效率。在完成不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的各个模块的仿真设计后，调整输入端微带线使得载波放大器和峰值放大器两条支路输出信号的相位对齐．并通过原理图一版图联合仿真优化设计的不对称功率放大器的性能，提高了仿真的精确度，缩小仿真和实际应用的差距。同时对比在不同的输入端功分器的功率分配比例和栅极偏置电压的仿真结果。发现当载波放大器的栅极偏置电压为２．８４Ｖ．峰值放大器的栅极偏置电压为Ｏ．８５Ｖ。漏极偏置电压为２８Ｖ时．输入端功分器的功率分配比为ｌ：２．３的不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的性能最佳。图２为１：２．３不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器与ＡＢ类平衡功率放大器的功率附加效率（ＰＡＥ）比较曲线图。从图２可以看出，峰值饱和输出功率约为５５．８

ｄＢｍ，

因此不对称结构能改善由于峰值放大器对载波放大器牵引不足导致的失配问题。使得峰值饱和输出功率较为理想。当

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图２不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功放与ＡＢ类平衡功放的ＰＡＥ比较曲线图

Ｆｉｇ．２

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Ａ删ｚｔｒｉｃ

Ｄｏｈｅｒｔｙａｍｐｌｉｆｉｅｒａｎｄｂａｌａｎｃｅｄ

ｃｌａｓｓ－ＡＢａｍｐｌｉｆｉｅｒ．

从峰值输出功率回退１１．８ｄＢ时。即输出功率为４４ｄＢｍ，仿真得到的ｌ：２．３不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器ＰＡＥ为２４．２１％．ＡＢ类平衡功率放大器的ＰＡＥ为１５．６３％。因此１：２．３不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器比ＡＢ类平衡功率放大器的ＰＡＥ提高了８．５８％。

分析图３的不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器与ＡＢ类平衡功率放大器的三阶互调失真（ＩＭＤ３）比较曲线图可以发现，设计的ｌ：２．３不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的线性度较为理想。当输出功率为４３ｄＢｍ时。１：２．３不对称

功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的ＩＭＤ３为吨．２４

ｄＢｃ．ＡＢ

类平衡功率放大器的ＩＭＤ３为一３６．６１ｄＳｃ。１：２．３不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器在ＩＭＤ３指标上改善了５．６３ｄＢｃ。当输出功率为４４ｄＢｍ时。ｌ：２．３不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ

－３５－

《电子设计工程）２０１１年第１１期

功率放大器的ＩＭＤ３为州．４６

ｄＢｅ。ＡＢ类平衡功率放大器的

的栅极偏置电压为０．８５Ｖ且漏极偏置电压都为２８Ｖ时的性能良好。在输出功率为４４ｄＢｍ，设计的１：２．３不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器的ＰＡＥ为２４２１％，ＩＭＤ３为－４４．４６ｄＢｅ，和ＡＢ类平衡功放相比ＰＡＥ提高了８．５８％。ＩＭＤ３改善了

ＩＭＤ３为一３７．４８ｄＢｃ．１：２．３不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器在ＩＭＤ３指标上改善了６．９８

ｄＢｅ。

‘１

６．９８ｄＢｅ。

考一２至一３

Ｈ一４

—５

从仿真结果可以看出，不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器结构简单．效率较高且线性度好，非常适合于ＷＣＤＭＡ移动通信基站和直放站的应用。

输出功率／ｄＢｍ

参考文献：【ｌ】Ｙａｎｇ

Ｙ，Ｙｉ

图３不对称Ｄｏｈｅｒｔｙ功放与ＡＢ类平衡功放的ＩＭＤ３比较曲线图Ｆｉｇ．３ＴｈｅＩＭＤ３ｆｏｒｔｈｅＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＤｏｈｅｒｔｙａｍｐｌｉｆｉｅｒａｎｄｂａｌａｎｃｅｄ

ｃ／ａｓｓ－ＡＢａｍｐｌｉｆｉｅｒ．

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对比上述的仿真结果可以看出（对比结果如表１所示），采用１：２．３不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器能够很好的实现高线性和高效率的良好折中。设计出的功率放大器的仿真结果性能良好，和目前在实际中常采用的ＡＢ类平衡功率放大器相比在高线性度的要求下效率上有很大的提高。

裹ｌ性能对比

Ｔａｈ．１

Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ

【２］Ｋｉｍ

Ｂ，Ｋｉｍ

Ｊ，ＫｉｍＩ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｄｏｈｅｒｔｙｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ［Ｊ］．

ＩＥＥＥＭｉｃｒｏｗａｖｅＭａｇａｚｉｎｅ．２００６：４２—５０．

【３】ＫｉｍＢ，Ｙａｎｇ

Ｙ，Ｙｉ

Ｊ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｌｉｎｅａｒ

ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

．ｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｕｓｉｎｇｌｏａｄ【４】ＫｉｍＪ＇ＣｈａＪ，ＫｉｍＩ＇ｅｔａＬ

ｃｅｌｌｓ－ｂａｓｅｄｌｉｎｅａｒ

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ｐｏｗｅｒｄｒｉｖｅ

Ｄｏｈｅ啊ｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ－ｕｎｅｖｅｎ

ａｎｄｐｏｗｅｒｍａｔｃｈｉｎｇ田ＩＥＥＥｌ’ｍ腿∞Ｍｉｃｍｎ∞ｒｙ蚰ｄＴｅｃｈ．，

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Ｙ

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ａｎｅｘｔｅｎｄｅｄ

ＧａＮＨＥＭＴＤｏｈｅｒｔｙａｍｐｌｉｆｉｅｒｕｓｉｎｇｕｎｅｖｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｐｏｗｅｒｆｏｒＷｉＭＡＸａｐｐｌｉｅａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／ＲＷＳ２００９．Ｉｓ．１４Ｙｕ２Ｐ．．９口６８—－２７１．

３结束语

为了适应现代无线通信系统中对功率放大器提出的高效率高线性度的要求，本文基于ＡＤＳ仿真平台，采用飞思卡尔的ＭＲＦ６Ｓ２１１４０Ｈ功放管设计出一款适合于２．１４ＧＨｚ频段ＷＣＤＭＡ基站的不对称功率驱动的Ｄｏｈｅｒｔｙ功率放大器。仿真结果表明设计的１：２．３不对称功率驱动的Ｄ０ｈｅｒｔｙ功率放大器在载波放大器的栅极偏置电压为２．８４Ｖ，峰值放大器

【６】殷家斌．一种新型Ｄｏｈｅｒｔｙ功放——Ａ—Ｄｏｈｅ啊功放的研究

与实现【Ｄ１．成都：电子科技大学，２００９．

［７１ＦｒｅｅｓｃａｈＳｅｍｉｅｏｎｄｕｔｏｒ．ＭＲＦ６Ｓ２１１４０Ｈｄａｔａｓｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＬ］．

［２０］ｏ－０５．０２】．ｈｔｔｐ：／／ｅａｅｈｅ．ｆｒｅｅｓｃａｈ．ｅｏｍ／ｆｄｅｄｒｆ＿ｉｆ／ｄｏｅ／ｄａｔａ＿

ｓｈｅｅｔ／ＭＲＦ６Ｓ２１

１４０Ｈ．ｐ战

【８】敬小东．移动通信中的Ｄｏｈｅｒｔｙ功放研究【Ｄ】．成都：电子科

技大学，２００９．

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万方数据

基于ADS平台不对称Doherty功率放大器的仿真设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

张敏翔， 汤碧玉， ZHANG Min-xiang， TANG Bi-yu厦门大学信息科学与技术学院,福建厦门,361005电子设计工程

ELECTRONIC DESIGN ENGINEERING2011,19(11)

本文链接：/Periodical_dzsjgc201111011.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1oiq.html