一种新型倒置doherty设计

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一 引言

 

现代通讯系统的发展对功放的线性和效率提出了越来越高的要求,而功放的线性度和效率始终是相互矛盾的,为了尽量平衡他们之间的矛盾,中国电子器材深圳有限公司的射频技术团队提出了一种新型倒置doherty技术,比较好的解决了这样一个矛盾。

 

二 传统Doherty放大器及新型倒置doherty原理分析

 

图1:传统二路Doherty放大器原理框图

图1:传统二路Doherty放大器原理框图

 

传统doherty结构如图1所示,由主管(载波放大器),辅管(峰值放大器),90度电桥,补偿线L1、L2、L3、L4,输出合路部分组成。小信号峰值放大器Z3的阻抗理想开路,载波放大器在合路部分的阻抗牵引使Z1=100欧姆,同时也使得功放漏级电阻减小一半,减小后的漏级电阻使得峰值电压减半,饱和电流不变,doherty出现第一个峰值,大信号载波放大器和峰值放大器都以最佳的阻抗匹配输出,doherty达到第二次峰值效率及最大输出功率。

图2:新型倒置二路Doherty放大器原理框图

图2:新型倒置二路Doherty放大器原理框图

 

新型倒置doherty跟传统经典doherty相比有以下几个不同之处,(1)新型倒置doherty输出端的四分之一波长线在辅管后面,而传统经典doherty输出端的四分之一波长线是在主管后面,所以命名为新型倒置doherty;(2)新型二路倒置doherty的主管按Z=100欧姆设计,辅管按Z=72.25欧姆设计;(3)辅管后面用了四分之一波长的特性阻抗为85欧姆的高阻抗线;(4)主管和辅管合路后已经是50欧姆了,所以不需要通过阻抗变换了。下面从它的工作过程也可以分为三个阶段:(1)当输入信号较小RFin<0.5Pmax,由于辅放后面的输出端四分之一波长85欧姆的高阻抗线,辅管管的阻抗Zpeak1视为理想无穷大,Z2=50欧姆,Zmain按100欧姆设计,主管往负载看进去的阻抗为50欧姆,同时也使得功放漏级电阻增加一倍,增加后的漏级电阻使得输出电压达到峰值电压时,输出电流却只有峰值电流的一半。因此,doherty达到第一个峰值效率时的输出功率相对于满功率输出功率而言,回退了6dB。(2)当输入信号0.5Pmax≤RFin< Pmax,,主管输出电压达到饱和,适当的偏置使得辅管开始工作。随着输入功率的增加,辅管输出电流增加。由有源负载牵引技术可知,Zmain的共轭阻抗开始由50欧姆往100欧姆变化,Zpeak的共轭阻抗开始由理想无穷大往72.25欧姆变化。这使得主管输出电压基本保持不变,不会产生过饱和,同时主管输出电流继续增加,主管效率保持最大值。由于从放大器工作电流未达到最大,故doherty效率有所下降,但是依然维持在较高水平。(3)当输入信号RFin= Pmax,Zmain的共轭阻抗变为100欧姆,Zpeak的共轭阻抗变为72.25欧姆,合路处的往阻抗为Zmain=100欧姆并联Zpeak=85*85/72.25=100欧姆即等于50欧姆,和Z2=50欧姆阻抗匹配,主管和辅管都以最佳匹配阻抗形式达到饱和输出,此时doherty达到最大功率输出,doherty效率也达到最大效率值,即第二个峰值效率。通过以上分析可知新型倒置doherty跟传统经典doherty相比有以下几个优势:(1)负载调制效果明显(新型倒置doherty漏级电阻是增加一倍而传统dohert漏级电阻是减小一倍);(2)减小PCB面积节省成本(新型倒置doherty不需要35欧姆1/4波长线,新型倒置doherty功放阻抗都大于50欧姆,设计匹配灵活,一般单阶匹配就可以完成)。

 

三 新型Doherty电路设计

 

图3:新型倒置Doherty原理仿真图
图3:新型倒置Doherty原理仿真图

 

基于ADS软件平台,选用飞思卡尔MRF8S21140H器件模型进行倒置doherty原理图仿真。整个倒置doherty的关键在于输出匹配的设计,它不仅要完成阻抗匹配,还要同时满足输出补偿线的功能,并且在小信号的时候能够达到漏极电阻增倍的目的。

 

四 仿真结果

图4:新型倒置Doherty仿真数据

图4:新型倒置Doherty仿真数据

 

图4是载波和峰值放大器的漏极偏置电压都取28V,主放大器栅极电压取2.7V(静态电流1.1A),峰放大器栅极电压取1.7V,仿真数据。由图可见,新型倒置doherty电路,在输出45.33dbm(即P-3=55.7dBm回退10.4dB)时可以获得较高的效率(32.756%),doherty输出电流等于3.623A;AM-AM测试可以得到P-1=53.6,dbm, P-3=55.7dbm,小功率输出到饱和功率曲线比较平缓;AM-PM测试可以得到在小信号输出的相位为-0.261度,在输出功率53.894dbm时输出相位为-3.351度,在输出功率55.708dbm时相位为-2.791度,从整个AM-PM发现相位失真小于3度且曲线也十分平滑,从仿真数据可以得到倒置doherty相对传统doherty具有更好的线性指标,并且效率能满足32.756%(回退10DB下)。

 

五 结论

 

W-CDMA作为第三代无线通信主流标准之一,其信号的峰均比可达10dB。目前直放站厂家的WCDMA功放基本都是采用经典doherty配合scintear公司的模拟预失真芯片SC1887来达到满足频谱模板的目的,SC1887属于模拟预失真芯片线性纠正能力有限,如果doherty本身的AM-AM,AM-PM曲线不是很理想的话,它的线性纠正的能力就会大幅度降低,针对这种情况,本文仿真设计出一种新型倒置doherty。相比传统经典doherty,它可以获得更好的AM-AM,AM-PM线性指标,如果SC1887配合这种新型倒置doherty ,ACPR指标将会有更大的改善。

 

 

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