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4G-LTE系统中反向Doherty功率放大器设计

2015-05-17  帝企鹅加林

一、引言

随着通信系统的快速发展,当下各国都在加速4G网络发展的步伐。更高速,更优质,更灵活的众多优点,让4G网络有着无可比拟的优越性。而高 数据传输率和多模传输对通信系统产生了极大影响,复杂的调制方式无疑对基站中的核心模块功率放大器提出了更高的线性度要求,同时也要求更高的信道带 宽,PA的研究也成为当今的热门研究领域。DXY鼎芯长期以来在微波射频研究领域也作了大量投入,涵盖无线通信(直放站、基站、RRU、WLAN)、WIFI、CMMB、ISM( 工业、科学、医疗)等,公司的微波射频实验室已成为NXP和清华大学微电子研究所的应用工程实验室,本文设计的反向Doherty功率放大器便是其中产品之一。

 

PA作为收发信机的核心组成部分,约占其系统能耗的1/3。传统的基站功放是通过功率回退,单纯牺牲功放效率来提升线性度。为了降低通信运营商的运营成本,顺应绿色通信发展大趋势,提高PA效率的研究已是迫在眉睫。而传统的DPA在功率回退一定范围内也能提供足够高的效率,足见DPA的研究就显得尤为重要。和传统DPA相比,IDPA结构峰值放大器后的1/4波长传输线在补偿相位的同时,还能减少功率泄露,进一步提高了功放效率。

 

二、IDPA的工作原理

传统的DPA包括载波功率放大器和峰值功率放大器,载波功放工作于B类或AB类,峰值功放工作于C类。载波功放一直都在工作,而峰值功放在峰值时才开启工作。当载波功放达到饱和态而峰值功放将要开启工作时,效率达到B类功放的理论最大值78.5%。随着输入信号逐渐加大,峰值功放开启工作,从而减小了载波功放的视在阻抗,相当于给载波功放串联了一个负阻抗。此时载波功放一直处于饱和状态,其输出电压恒定,随着输出阻抗的不断减小,载波功放的输出电流也不断变大。当峰值功放达到饱和态时,其效率也达到最大。一个B类功放在峰值时才能达到效率最大值,而此Doherty功放只需在峰值的一半即能达到效率最大值。

 

在载波功放后面的1/4波长传输线起阻抗变换作用,同时也使两路功放产生了90°相差,为了使两路功放输出同相,就需要在峰值功放前补充90°相移。DPA结构框图如下

 

相比传统的DPA结构,IDPA结构的1/4波长传输线补充在峰值功放后面,在起到相位补偿的同时,还能减小功率泄露,进一步提高了功放效率。IDPA结构如下图。

 

 

对于DPA技术,在载波放大器达到饱和状态时,峰值放大器才开启工作,这样才能保证功放在回退一定范围内效率始终维持在一个较高的水平,不至于急剧下降。

 

在小信号工作阶段,载波放大器正常工作,峰值放大器关断未工作。

此时峰值放大器相当于开路状态,阻抗Z2无穷大,避免了载波放大器的功率泄露。载波功放后的1/4波长传输线起阻抗变换作用,即Z0*Z0=Z1*Z3,Z4*Z4=R*Z3。当Z0=R=50欧且Z4=0.707R时,Z3=25欧,Z1=2Z0=100欧。

在大信号工作阶段,峰值放大器开启工作,可以看成是载波功放的有源负载。

 

 

假设载波功放和峰值功放是等功率输入,则载波功放的输出阻抗Z1由2R逐渐减小,从而能输出更大的功率,使IDPA的效率始终维持在较高的水平,不至于在功率回退一定范围内,效率出现急剧下降。由于两路功放的电路网络相同,从而会有相同的输出功率,相同大小的电流输出。此时Z1=Z2=Z3=Z0=R=50欧。

 

三、IDPA的设计

本设计选用的功放管是NXP的BLF8G27LS-100P,载波放大器工作于AB类,栅压选为1.99V,峰值放大器工作于C类,栅压选为0.67V。

 

针对不同饱和功率和效率设计输入输出匹配电路。漏极采用双边平衡馈电结构,电路由RF滤波电容、包络频率去耦电容以及1/4波长微带线组成,此微带线长度可根据功放性能进行调整,尽可能短路掉包络频率电压。通过对偏置电路网络的优化,进一步降低记忆效应的影响,提高视频带宽VBW,以提高功放的宽带特性。

 

 

功放管的最佳负载阻抗会随着输入功率的改变而变化,在具体的功率和效率要求下,就可以通过调整输入输出匹配网络和偏置电路网络,以使功率和效率达到良好的折中。本设计经过优化后的实物电路如下图

 

 

四、测试结果分析

测试2500MHz-2690MHz频段范围内2500MHz、2595MHz、2690MHz的AM-AM曲线,

2500MHz AM-AM

2595MHz AM-AM

2690MHz AM-AM

从以上的AM-AM曲线可以看出,在输入功率-30dBm—-16dBm范围内,增益波动约为0.1dB,功放增益线性度较好。

用峰均比为10.3dB的WCDMA 单载波信号测试

 

 

Freq/MHz

2500

2595

2690

Gain/dB

14.2

14.6

14.1

P-1/dBm

50.1

49.46

49.82

P-3/dBm

50.97

51.35

50.62

Peak power/dBm

51.23

51.43

50.81

I/A(28Vdc/Pout=43.5dBm)

1.97

1.95

1.96

Eff

40.58%

41.0%

40.79%

 

上表所示为2500MHz-2690MHz频段范围内的增益,功率和效率,增益波动为0.5dB,整个频段范围内功率和效率的变化一致性较好,足见该款PA能满足较宽的带宽要求。

用带宽为19.84MHz的WCDMA 四载波信号测试ACP

 

 

 

Total Carrier

Power(dBm)

ACP Lower

(dBc)

ACP Lower

(dBc)

PAR(dB)

2595HMz

41.46

-31.87

-33.69

9.8

 

五、结论

针对高峰均比的4G-LTE宽带信号,本文采用NXP(恩智浦)的BLF8G27LS-100P功放管设计了一款反向Doherty功率放 大器,在保证功放效率维持在一个较高值的同时,也得到了一个较好的线性度,由此表明DXY鼎芯射频实验室设计的该款功率放大器能较好地应用到4G-LTE 等各种通信系统中。 

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