4G-LTE系統(tǒng)中反向Doherty功率放大器設(shè)計(jì)

一、引言

隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，當(dāng)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)有著無可比擬的優(yōu)越性。而高 數(shù)據(jù)傳輸率和多模傳輸對通信系統(tǒng)產(chǎn)生了極大影響，復(fù)雜的調(diào)制方式無疑對基站中的核心模塊功率放大器提出了更高的線性度要求，同時(shí)也要求更高的信道帶 寬，PA的研究也成為當(dāng)今的熱門研究領(lǐng)域。DXY鼎芯長期以來在微波射頻研究領(lǐng)域也作了大量投入，涵蓋無線通信(直放站、基站、RRU、WLAN)、WIFI、CMMB、ISM（　工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療）等，公司的微波射頻實(shí)驗(yàn)室已成為NXP和清華大學(xué)微電子研究所的應(yīng)用工程實(shí)驗(yàn)室，本文設(shè)計(jì)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(jī)的核心組成部分，約占其系統(tǒng)能耗的1/3。傳統(tǒng)的基站功放是通過功率回退，單純犧牲功放效率來提升線性度。為了降低通信運(yùn)營商的運(yùn)營成本，順應(yīng)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(tǒng)的DPA在功率回退一定范圍內(nèi)也能提供足夠高的效率，足見DPA的研究就顯得尤為重要。和傳統(tǒng)DPA相比，IDPA結(jié)構(gòu)峰值放大器后的1/4波長傳輸線在補(bǔ)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(tǒng)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類或AB類，峰值功放工作于C類。載波功放一直都在工作，而峰值功放在峰值時(shí)才開啟工作。當(dāng)載波功放達(dá)到飽和態(tài)而峰值功放將要開啟工作時(shí)，效率達(dá)到B類功放的理論最大值78.5%。隨著輸入信號逐漸加大，峰值功放開啟工作，從而減小了載波功放的視在阻抗，相當(dāng)于給載波功放串聯(lián)了一個(gè)負(fù)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，隨著輸出阻抗的不斷減小，載波功放的輸出電流也不斷變大。當(dāng)峰值功放達(dá)到飽和態(tài)時(shí)，其效率也達(dá)到最大。一個(gè)B類功放在峰值時(shí)才能達(dá)到效率最大值，而此Doherty功放只需在峰值的一半即能達(dá)到效率最大值。

在載波功放后面的1/4波長傳輸線起阻抗變換作用，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(bǔ)充90°相移。DPA結(jié)構(gòu)框圖如下

相比傳統(tǒng)的DPA結(jié)構(gòu)，IDPA結(jié)構(gòu)的1/4波長傳輸線補(bǔ)充在峰值功放后面，在起到相位補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，還能減小功率泄露，進(jìn)一步提高了功放效率。IDPA結(jié)構(gòu)如下圖。

對于DPA技術(shù)，在載波放大器達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，峰值放大器才開啟工作，這樣才能保證功放在回退一定范圍內(nèi)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(dāng)于開路狀態(tài)，阻抗Z2無窮大，避免了載波放大器的功率泄露。載波功放后的1/4波長傳輸線起阻抗變換作用，即Z0*Z0=Z1*Z3，Z4*Z4=R*Z3。當(dāng)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，峰值放大器開啟工作，可以看成是載波功放的有源負(fù)載。

假設(shè)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(nèi)，效率出現(xiàn)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(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的功放管是NXP的BLF8G27LS-100P，載波放大器工作于AB類，柵壓選為1.99V，峰值放大器工作于C類，柵壓選為0.67V。

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