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  重庆邮电大学学报(自然科学版)  2018, Vol. 30 Issue (6): 783-788  DOI: 10.3979/j.issn.1673-825X.2018.06.008
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引用本文 

张鑫, 王斌, 熊梓丞, 滕江. 应用于无线通信基站的Doherty功率放大器[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2018, 30(6): 783-788. DOI: 10.3979/j.issn.1673-825X.2018.06.008.
ZHANG Xin, WANG Bin, XIONG Zicheng, TENG Jiang. Doherty power amplifier for wireless communication base station[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications (Natural Science Edition), 2018, 30(6): 783-788. DOI: 10.3979/j.issn.1673-825X.2018.06.008.

基金项目

国家自然科学基金(61102026);重庆邮电大学自然科学基金(A2015-47)

通信作者

王斌 wangbin1@cqupt.edu.cn

作者简介

张鑫(1992—),男,陕西西安人,硕士研究生,主要研究方向为射频功率放大器。E-mail: billpan330@126.com; 王斌(1982—),男,重庆人,教授,博士,主要研究方向为微波与毫米波技术、射频微波器件与技术。E-mail:wangbin1@cqupt.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2017-10-16
修订日期: 2018-07-20
应用于无线通信基站的Doherty功率放大器
张鑫, 王斌, 熊梓丞, 滕江     
重庆邮电大学 光电工程学院,重庆 400065
摘要: 采用Doherty技术设计并实现了一款应用于无线通信基站的S波段高效率功率放大器,通过非对称功率输入的方式使得整个功放在更宽的功率范围内获得高效率。设计中采用了安捷伦公司的先进设计系统软件(advanced design system,ADS),选取恩智浦公司型号为MRF7S21080H与MRF8S21100H的横向扩散金属氧化物半导体(laterally diffused metal oxide semiconductor,LDMOS)功放晶体管,两款晶体管的工作频率均为2.14~2.17 GHz。经过电路仿真与实物调试,最终设计并实现了功率回退达到7 dB的功率放大器,其增益为13.5 dB,并且在7 dB功率回退点上效率达到35%,峰值功率效率达到42%。相比其他功率放大器,该放大器具有较大的功率回退范围与更高的效率。结果证明,通过不对称输入方式所设计的Doherty功率放大器可以获得更宽的功率回退范围。
关键词: 功率放大器    Doherty    功率回退    高效率    功率附加效率    
Doherty power amplifier for wireless communication base station
ZHANG Xin , WANG Bin , XIONG Zicheng , TENG Jiang     
College of Optical and Electronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P. R. China
Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61102026); The Natural Science Foundation Project of CQUPT (A2015-47)
Abstract: This paper designed an S-band high efficiency power amplifier with Doherty technology for base station. The design obtains high efficiency and wide power back-up area by asymmetrical power input. During the design, the advanced design system (ADS) of Agilent company is applied, and the laterally diffused metal oxide semiconductor field effect transistor (LDMOS FET) MRF7S21080H and MRF8S21100H from NXP is adopted. The operating frequency is between 2.14 GHz and 2.17 GHz. After the simulation and the test, the power amplifier reaches 7 dB power back-up area, gets 13.5 dB gain, the power-added efficiency over 35% at the power back off area and over 42% at maximum output power. Compared with other power amplifiers, the power amplifier has wider power back off area and higher efficiency. Results show that the Doherty power amplifier using asymmetrical power input can acquire wider power back-up area.
Keywords: power amplifier    Doherty    power back-up    high efficiency    power-added efficiency    
0 引言

为了满足无线通信系统对于数据传输的高要求,调制信号需要较高的均峰比,这就需要所设计射频功率放大器(power amplifier, PA)在具有信号放大功能的同时具有高功率回退范围和高效率等特点。而提高功率放大器效率的方法有很多,Doherty技术就是其中一个典型代表[1]。Doherty功率放大器与其他高效率放大器相比,具有结构简便、成本低廉的特点[2-3]。因此,Doherty技术成为了提高功率放大器效率的主要手段,近年来,众多科研人员都致力于借助该技术提高功率放大器效率,并且在该方面的研究均取得了不错的成果。此外,还有很多国内外科研人员在传统Doherty结构的前提下提出了不同的提高效率的方法。如文献[4-5]中提出了一种利用连续模式的Doherty结构,该方法可以在保证一定带宽的前提下使功放获得较高的效率。

结合Doherty功率放大器的基本理论,本文设计了一款应用于无线通信基站的非对称Doherty功率放大器。经过对该放大器的仿真优化和加工实物调试,得到该功率放大器在2.11~2.17 GHz工作频段的峰值功率达到51 dBm,增益为13.5 dB,并且得到了大于7 dB的功率回退范围,在7 dB功率回退点上的功率附加效率(power-added efficiency,PAE)大于35%。

1 Doherty放大器分析

传统对称Doherty功率放大器电路示意图如图 1所示。Doherty功率放大器主要由4个部分组成:功分器、主放大器、辅助放大器和信号合路[6]。其中,功分器用于将信号分别输入到主放大器与辅助放大器中;主放大器工作在AB类工作状态,输出端接1/4波长传输线;辅助放大器工作在C类工作状态,输入端接1/4波长传输线;信号合路部分用于将主放大器与辅助放大器放大的信号融合。对于传统的对称Doherty功率放大器,功分器功率分配比为1:1,并且主放大器与辅助放大器选用相同的晶体管。

图 1 传统Doherty功率放大器电路示意图 Figure 1 Conventional schematic diagram of Doherty PA

传统对称Doherty功率放大器理论上只可以提供6 dB的回退功率,而当前许多调制信号的均峰比都大于6 dB,因此,许多科研人员选择对Doherty功率放大器进行改进以提高功率回退范围,主要思路为调整主功放与辅助功放之间的功率比[7]。而为了获得较大的功率回退范围,一些科研人员提出了非对称Doherty结构的功率放大器,非对称结构选择更高的功分器功率分配比例,使辅助功放得到的输入功率相对更高。同时,本文选择使用不同的主功放管与辅助功放管,其中,辅助功放管的峰值功率为100 W,而主功放管的峰值功率为80 W,这样的设计可以使Doherty功放在工作时得到更高的峰值功率,从而提高功率回退范围。此外,在设计主功放与辅助功放的匹配电路时,使用了“一”字型匹配方式,该匹配方式与传统的“T”型和“π”型匹配相比前期设计更加快捷,后期调试更加方便,提高了整个功放的设计效率。

2 Doherty功率放大器仿真

本文根据非对称Doherty功率放大器理论,仿真设计了一款工作频率选择为2.11~2.17 GHz的功率放大器,并对其进行了加工和测试。2.11~2.17 GHz频段为当代无线通信系统中的重要频段,国内外许多地区均采用该频段作为长期演进(long term evolution, LTE)通信系统的下行频段。同时,传统无线通信基站要求功率放大器模块增益与效率尽量高,增益平坦度小于1 dB,且在附加提高线性度措施后的邻道泄漏功率比小于-30 dBc。

结合无线通信基站对于功率放大器设计的要求,本文确定仿真时的Doherty功放增益大于15 dB,功率回退范围大于9 dB,峰值输出功率达到53 dBm。基于此,本文选择恩智浦公司的MRF7S21080H作为主功放,MRF8S21100H作为辅助功放;选择板材为Rogers4350B,厚度为0.508 mm。仿真时借助仿真软件ADS提供的全套电磁仿真方案,可以分别进行理想情况下的原理图仿真和与实际更为吻合的版图联合仿真,仿真测试时主要通过放置谐波、S参数、稳定性等仿真控件分别测试设计电路的输出功率及效率、匹配状态、稳定性等,以检验所设计的电路是否满足要求。

仿真设计时主要分为4个步骤:功分器设计、主功放设计、辅助功放设计与添加调试线调试。首先设计功分器,功分器设计时选择功率分配比例为1:2,这样可实现使更多功率输入到辅助功放中;其次设计主功放与辅助功放,主功放与辅助功放的设计方式相同,但主功放的静态工作点需结合数据手册仿真得到,而辅助功放的供电电压需结合最终整体电路的调试结果得到;最后添加调试线与合路部分进行调试,调试线的添加是为了调整Doherty功放的整体性能,具体长度需要结合调试结果予以优化[8]

在功放的电路设计中,静态工作偏置点的选取保证了功放管的稳定工作。本文利用ADS软件仿真后确定了主功放晶体管的漏极与源极电压为28 V,栅极与源极电压为2.8 V,漏极静态电流为700 mA。射频功率放大器的输入与输出匹配是设计的核心步骤,而输入输出匹配在设计时首先需要找到晶体管的输入输出阻抗。晶体管厂商都会在数据手册上提供参考的阻抗值,该阻抗值简单实用。但是ADS软件中提供了负载牵引仿真与源牵引仿真,这样可以根据厂商提供的晶体管模型而灵活地找出所需频率的阻抗值。考虑到为了后期实物便于调试,本文在利用Smith原图匹配时,主功放与辅助功放的输入输出匹配均采用了“一”字型的匹配方式。辅助功放与主功放的设计方法相同,但是工作点需选择在C类功放工作的工作点。

主功放与辅助功放设计完成后需要对补偿线和调试线进行设计。首先在主功放输出端和辅助功放输入端分别添加1/4波长微带线,完成Doherty的整体结构设计。该结构需要保证小信号时辅助功放输出端的低阻抗转换为高阻抗,并且防止主功放输出信号泄露。其次需要分别在主、辅功放输出输入端添加调试线以优化功放整体性能。同时,为获得最佳性能与更合理的版图设计,调试线与补偿线的长度需要反复不断地调整。

为了验证所选用的非对称Doherty结构在性能上优于对称Doherty结构,本文特地在对非对称结构Doherty功放进行仿真的同时,还仿真了一款传统对称Doherty结构的功放用来做对比。该对称Doherty结构功放的工作频率与所设计的非对称Doherty结构功放相同,且所选择的晶体管为2个型号完全相同的晶体管MRF8S21100H。经过仿真调试,非对称Doherty功放的仿真结果如图 2所示,其中,图 2a为本文所设计的非对称Doherty功放与传统对称Doherty功放的大信号仿真结果对比。

图 2 非对称Doherty功放仿真结果图 Figure 2 Simulated results of asymmetrical PA

对比仿真结果表明,非对称Doherty结构功放的增益超过16 dB,峰值输出功率达到53 dBm,在峰值功率处的PAE为60%,同时在10 dB功率回退点上效率达到43%。而传统的对称Doherty功放虽然增益与本文所设计的功放基本一致,但是功率回退范围仅为6 dB,峰值功率效率低了5%,而且在10 dB功率回退点上效率仅为35%。经上述仿真验证得到,非对称Doherty结构在功率回退范围上具有一定的优势。从图 2b可以看出,本文设计的非对称Doherty功放的S参数仿真结果处在一个良好的水平,S11在2.11~2.17 GHz的工作频段小于-25 dB。

3 Doherty功率放大器实物调试

仿真完成后,对功率放大器进行实物加工并调试测试。将实物原理图转化为电路版图时需要添加接地过孔、螺丝孔、元器件焊盘等。实际电路板背部为覆铜面,在电路板正面空余的地方也需设置部分地,这样可以对电路的走线形成包裹从而达到电磁保护的作用;接地过孔将整个覆铜面与电路板正面的地连接起来;螺丝孔用于将散热板与电路板固定在一起;元器件焊盘的添加确定了器件焊接的位置。整个电路版图设计完成后需要再次借助ADS软件内的版图与原理图联合仿真,以确保版图的仿真结果尽量小地恶化。

需要注意的是过孔的不合理添加与元器件的焊接位置都会对最终实物的性能起到决定性作用,如果整体电路设计不合理可能引起电路不稳定,严重的会烧毁功放管,甚至测试仪器。同时,针对本文所选择功放管的封装,电路板制作时需要将板材镂空,这样可保证功放管的衬底完全接触到下方的散热板,且功放管接地良好。图 3图 4分别为本功率放大器的电路版图与实物图。整个功率放大器的版图加工为外协加工,而电路板的组装与元器件焊接皆为作者自行操作。

图 3 非对称Doherty电路版图 Figure 3 ircuit diagram of asymmetrical Doherty PA
图 4 非对称Doherty电路实物图 Figure 4 Photograph of asymmetrical Doherty PA

同时,对于大功率功率放大器,电路的散热问题也是不可忽视的。本文专门为电路设计了铝制散热接地板,该铝制板大小与电路板一致,厚度达到2 cm。但是,由于功放管衬底与电路板材厚度不一致,导致安装散热板后电路板在功放管附近无法完全与散热板贴合,造成功放管接地不良,引起低频振荡,使整个电路无法正常工作。在测试时发现了该问题之后,本文又重新设计了散热板,在需要固定功放管的地方分别挖出1 mm的凹槽,这样既保证了功放管的衬底可以完整地固定在散热板上,也解决了电路板在功放管附近无法完全与散热板贴合的问题。

由于功放管栅极与源极电阻值很大,仅需少量静电就会使栅极与源极之间的等效电容两端产生很高的电压,如不及时把这些少量的静电泻放掉,栅极与源极两端的高压就有可能使功放管产生误动作,甚至有可能击穿功放管[9-10]。本文为保护功放管,选择在栅极偏置上添加接地电阻把上述的静电泻放掉。同时为了防止电路不稳定,产生自激,本文在功放管栅极偏置与输入匹配的连接处添加了限流电阻[11]。后期的调试与测试过程中,整个电路工作稳定,未出现烧毁功放管和仪器的问题。

此外,对电路调试环节的预设计也是必不可少的。文献[12]中,便是由于在电路设计时缺少对于调试环节的有效设计,造成在调试时遇到很多阻碍,最终无法更有效地提高功放实物的功率回退范围与效率。本文为了后期调试方便,在电路空闲处添加了适量的调试块。一部分的调试块用于调整功放的输入、输出匹配;另一部分调试块用于后期动态调整电路中调试线的长度。本文预计在实物调试阶段使用调试块调试,可以节省大量的调试时间,并且在调试过程中可以提高所修改调试线的计算精确度,得到较好的结果。而后期的调试工作也证明了这些调试块的设计可以较大地提升测试工作效率。

最终的非对称Doherty功放实物测试结果如图 5所示。在工作频段为2.11~2.17 GHz时,该Doherty功率放大器的S11小于-15 dB,S21约为13 dB。

图 5 非对称Doherty功放实物测试图 Figure 5 Test results of asymmetrical Doherty PA

大信号测试时被测功放需要前接驱动级放大器,后接衰减器。其目的是在保证测试仪器安全的条件下完整地测得所需数据。测试时选择2.11 GHz,2.14 GHz,2.17 GHz 3个频点依次测试。从图 5中可以看出,该功放增益约为13.5 dB,峰值功率为51 dBm,功率回退范围达到7 dB,功率回退范围内PAE大于35%。同时,在工作频段内增益平坦度基本小于1 dB。

实物的测试数据较仿真结果虽有恶化,但是仍然可以得到较大的功率回退范围,该功率回退范围仍然大于传统对称Doherty功放的理论功率回退范围。

表 1为本文与近年来其他文献中所设计的Doherty功放的性能对比。其中,文献[11]采用的是对称的Doherty结构,最终测试得到的功率回退范围仅有4 dB。该文献中的输出匹配方式与本文所采用的“一”字型匹配有所不同,采用了有集总元件参与的“π”型匹配方式,这样的匹配方式可能会造成实物调试时存在较大的限制;并且文献[11]中的功分器采用1:1的功率分配比,这样在提高峰值输出功率上会受到一定局限。相比之下,本文所采用的非对称Doherty结构与“一”字型匹配方式在高效率Doherty设计中可有效提高功率回退范围,并有利于功放实物的后期调试。文献[13-14]中设计的功率放大器与本文所设计的放大器工作频率接近,但功率回退范围均小于7 dB,且文献[12]中的功放峰值效率仅为37%,低于本文设计的功放的峰值效率。文献[15-16]中所设计的功放与本文设计的功放工作频率相同,其中文献[16]虽然效率较高,但是功率回退范围仅为6 dB。根据对表 1中数据的分析对比可以看出,本文设计的功率放大器可以获得较宽的功率回退范围,并且峰值效率达到了42%。相较于其他文献中所设计的功率放大器,本文所设计的功率放大器在保证了足够的峰值效率的同时,得到了较高的效率和峰值效率,在拓宽功率回退范围方面达到了较高的水平。并且,功率回退范围、增益与峰值效率等指标在设计时具有一定程度上的相互制约,需结合所选择的功放晶体管型号在设计时进行折中考虑。

表 1 本文与其他文献设计的Doherty功放器性能对比 Table 1 Performance comparison of Doherty PA designed in this paper and other papers
4 结束语

本文设计了一款应用于无线通信基站的Doherty功率放大器。该放大器在保证了增益和效率的基础上,有效地拓宽了功率回退范围。最终的Doherty功率放大器实物测试达到了7 dB的功率回退,并且在功率回退范围内PAE在35%以上,峰值功率效率达到42%。该Doherty功率放大器结构简单且性能良好,同时可以结合其他提高线性度的方法以获得更好的线性度。本文工作将为无线通信基站中Doherty功率放大器的设计提供一定的理论与测试参考。

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