4點(diǎn)教你掌握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(guó)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(wú)可比擬的優(yōu)越性。而高數(shù)據(jù)傳輸率和多模傳輸對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生了極大影響，復(fù)雜的調(diào)制方式無(wú)疑對(duì)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(dāng)今的熱門(mén)研究領(lǐng)域。DXY鼎芯長(zhǎng)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(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(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(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本，順應(yīng)綠色通信發(fā)展大趨勢(shì)，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(jiàn)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(zhǎng)傳輸線(xiàn)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(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(dāng)載波功放達(dá)到飽和態(tài)而峰值功放將要開(kāi)啟工作時(shí)，效率達(dá)到B類(lèi)功放的理論最大值78.5%。隨著輸入信號(hào)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(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(lèi)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(zhǎng)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(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(zhǎng)傳輸線(xiàn)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(duì)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(kāi)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(hào)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(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(zhǎng)傳輸線(xiàn)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(hào)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(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(duì)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(zhǎng)微帶線(xiàn)組成，此微帶線(xiàn)長(zhǎng)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(guò)對(duì)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。

功放管的最佳負(fù)載阻抗會(huì)隨著輸入功率的改變而變化，在具體的功率和效率要求下，就可以通過(guò)調(diào)整輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置電路網(wǎng)絡(luò)，以使功率和效率達(dá)到良好的折中。本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的實(shí)物電路如下圖

四、測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試2500MHz-2690MHz頻段范圍內(nèi)2500MHz、2595MHz、2690MHz的AM-AM曲線(xiàn)，

2500MHz AM-AM

2595MHz AM-AM

2690MHz AM-AM從以上的AM-AM曲線(xiàn)可以看出，在輸入功率-30dBm—-16dBm范圍內(nèi)，增益波動(dòng)約為0.1dB，功放增益線(xiàn)性度較好。

用峰均比為10.3dB的WCDMA 單載波信號(hào)測(cè)試

Freq/MHz250025952690

Gain/dB14.214.614.1

P-1/dBm50.149.4649.82

P-3/dBm50.9751.3550.62

Peak power/dBm51.2351.4350.81

I/A（28Vdc/Pout=43.5dBm）1.971.951.96

Eff40.58%41.0%40.79%

上表所示為2500MHz-2690MHz頻段范圍內(nèi)的增益，功率和效率，增益波動(dòng)為0.5dB，整個(gè)頻段范圍內(nèi)功率和效率的變化一致性較好，足見(jiàn)該款PA能滿(mǎn)足較寬的帶寬要求。

用帶寬為19.84MHz的WCDMA 四載波信號(hào)測(cè)試ACP

Total Carrier

Power（dBm）ACP Lower

（dBc）ACP Lower

（dBc）PAR（dB）

2595HMz41.46-31.87-33.699.8

五、結(jié)論

針對(duì)高峰均比的4G-LTE寬帶信號(hào)，本文采用NXP（恩智浦）的BLF8G27LS-100P功放管設(shè)計(jì)了一款反向Doherty功率放大器，在保證功放效率維持在一個(gè)較高值的同時(shí)，也得到了一個(gè)較好的線(xiàn)性度，由此表明DXY鼎芯射頻實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的該款功率放大器能較好地應(yīng)用到4G-LTE等各種通信系統(tǒng)中。