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【技术分享】高效率Doherty功放

日期:2019-05-16 作者:67677新澳门手机版-www.67677.com科技创研社 返回列表

导语:射频功率放大器被广泛应用于各种无线通信设备中。在通讯基站中,线性功放占其成本比例约占1/3。高效率,低成本的解决功放的线性化问题显得非常主要。因此高效率高线性的功放一直是功放研究的热门课题。


Doherty功率放大器应用布景


伴随着现代无线通信技术的高速成长,通信产物已经广泛的融入了人们的生活中,对人们的影响越来越大。射频功率放大器作为无线通信系统中主要器件之一,其性能对系统终端的影响重大。无线通信系统的尺度由传统的GSM尺度到第三代通信尺度WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000,以及今天的第四代通信尺度LTE(Long Term Evaluation)。信号的调制方式也随之发生改变,由恒包络调制向包络变换调制方式转变。例如,在WCDMA中采用的OFDM包络变换调制方式,其传输功率有着较高的均峰比,来满足最大限度的增加系统的容量。因此需要功率放大器能够在必然的功率回退中保证PA的线性度。但是传统的功率放大器在功率回退范围内的效率很低,因此,提高基站中功率放大器在功率回退中的效率变得尤为主要。提高效率的方法有很多, Doherty功率放大器技术布局简单,性价比高等优势,早已成为基站功率放大器研究的热点。当前射频功率放大器的设计正围绕着“高效率”、“多波段”、“高线性化”的标的目的成长。


Doherty功率放大器架构


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图1


Doherty功率放大器工作原理概述


Doherty布局由2个功放组成: 一个Main Amplifier(主功放),一个Peak Amplifier(辅助功放),主功放工作在AB类,辅助功放工作在B类或C类。两个功放不是轮流工作,而是主功放一直工作,辅助功放到设定的峰值才工作。主功放后面的四分之一波长线是阻抗变换,目的是在辅助功放工作时,起到将主功放的视在阻抗减小的作用,保证辅助功放工作的时候和后面的电路组成的有源负载阻抗变低,这样主功放输出电流就变大。由于主功放后面有了四分之一波长线,为了使两个功放输出同相,在辅助功放前面也需要四分之一波长线,用以平衡二路的相位。如图1所示。


Doherty功放工作的三个阶段


Doherty技术是有源负载调制技术,主功放的负载随着信号强度的变化而变化。从输入信号强度划分,Doherty功放的工作区域可以大致分为三个阶段:小信号阶段、中等信号阶段和大信号阶段。如图2所示。


2.png

图二


1.小信号阶段


在小信号阶段,由于峰值功放工作在B类或C类,信号强度不足以使其工作,因此其截止,呈现开路状况。主功放由于四分之一波长变换线将等效负载变为100Ω,负载电压升高,使主功放提前进入预饱和状况,效率提高。


2.中等信号阶段


当信号逐渐增强时,辅助功放开启,有源调制效应呈现,主功放的等效负载由100Ω向50Ω的标的目的减。ú⒚挥写锏50Ω),而主功放的电压受到辅助功放牵制保持预饱和状况,辅助功放的负载由开路状况向50Ω转变。


此时功放由最大效率状况向最大输出状况转变,效率维持不变(抱负情况),线性有所提高。


3.大信号阶段


随着输入信号的逐渐增强,辅助功放和主功放的电流增大,主功放的输出电压不变(抱负情况),保持高效率。而主功放的负载继续减,输出功率增加,当辅助功放达到饱和时,主功放和辅助功放的电流都达到了最大值。主功放,辅助功放负载均为50Ω,输出功率达到最大。 


Doherty功放的设计


1.Doherty功放的缺点和留意点


前面提到了Doherty布局简单和效率高的特点,但它也有不成克服的缺点,增益降低,带宽减,敏感度高。


- 增益降低


Doherty功放和AB类功放比拟,其增益降低了2-3dB,原因是辅助功放处于C类,而末级功放的增益降低会影响到Doherty功放设计,因此在设计选择鞭策级时,要考虑到增益降低带来的影响,多留出设计余量。


- 带宽减小


通过调试或者仿真可以看出,Doherty是个窄带系统,带宽,尤其是线性。调试时经常发现调好高端后,发现低端又不能满足指标要求。原因是阻抗变换和1/4波长变换线的窄带特性导致的。


- 敏感度高


前面提到Doherty的本色就是有源负载调制,两路功放彼此影响程度较大,敏感度较高。由于这种敏感度存在,所以研发阶段应该在比力敏感的地方预留一些可调试的部门(焊盘),便于出产中校正其离散性。

 

2.Doherty功放设计要点


功放主要是由功放管,偏置电路,匹配电路三部门组成,关注的要点是效率,线性,不变性。


- 不变性


不不变是功放设计中比力忌讳的事情。轻则杂散大,重则无法正常工作。比如自激,烧LDMOS管等。其实不不变就是放大器变成了振荡器。


设计时可以通过如下办法进行避免。


- 偏置电路反馈及处理办法


采用1/4波长微带线和去耦电容的方法阻止反馈回路的形成。


PCB板和地平面的要有足够多的螺钉固定,并且在功放管周围保证良好接地。


- 布局分腔设计


单个腔体中增益过高轻易引起空间的耦合,加盖板影响较大。单个腔体内的增益最好小于30dB,过高的增益需要分腔设计,两路之间要用金属隔挡,尽量长,盖板上增加屏蔽条,有效隔断减小彼此影响。


- 两级级间的考虑


在直接级联时,放大器间的影响是不成消除的。即使单级放大器是不变和指标良好的,但级联效果不必然就好,这时就需要增加隔离器或者电阻衰减网络。

 

3.Doherty功放的设计思路


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- 按照AB类功放的方法设计输入输出匹配。


- 按照Doherty的架构组合两路功放,并加上offset线。


- 在整体架构上调整各offset线的长度以实现高效率和高线性。

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