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Doherty功放的仿真和实验一、目的随着CDMA和3G技术的提出，传输速率要求提高，为此目的新的调制方式被广泛应用，比如BPSK、QPSK和QAM等，其信号的功率峰均比相当高，因此对基站的线性度要求很高。实现高线性的技术较多，有前馈技术、预失真技术和负反馈技术等，现在投入商用的多为前馈技术线性功放，而其主环路中的主功放是通过“回退”保证其线性度，以减轻整个系统的失真对消压力，我们知道回退方法获得高线性是以牺牲效率为代价的，尤其在信号峰均比大的情况下，为了保证峰值功率的线性度，必须回退的更多，效率也就更低。为了解决这一现状，功放管生产厂家在不断研究试图提高器件效率，而应用工程师由于侧重点的不同，则在应用高效率器件的同时也在电路方面进行改进来获得高效率，这些技术有Doherty技术、Cherix技术、EER（envelopeeliminationandrestoration）和动态包络跟踪等技术，其中Doherty功放结构相对简单，可实现性较好，其研究比较广泛，从技术积累和满足3G对LPA-S1_V3.0高效率的需求角度考虑，有必要进行Doherty功放的研究。二、工作内容在这一部分，主要进行了以下几个方面的工作：1）述并理解Doherty功放的工作原理，掌握电路中各部件的作用，提出了一些不理解的概念和质疑；2）现实情况出发，利用ADS进行了MRF5S18030和MRF5S21180Doherty功放的仿真，从中澄清了一些概念，并且解释了一些现象出现的原因；3）进行了实验，并进行了初步调试，并且与仿真结果对比，发现实验和仿真结果的趋势是相同的。具体如下：1)基本原理经典Doherty功放的框图如图1所示，其等效电路如图2所示，电路中包括3dB功分器，两段1/4波长微带线和主功放、辅助功放。其中，辅助功放前的1/4波长微带线实现了其电流相对主功放输入电流相位滞后90度，而主功放后面的1/4波长微带线在补偿了输出相位差的同时，更重要的是起到了阻抗变换的作用。PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion波长阻抗变换器的转移矩阵[A]和基尔霍夫定理可以得到以下公式：00010pmpmpVjZVVjIjIZR⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-⎢⎥+⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦0pmVjZI=00()mmpZVZIIR=-02mmpZZII=+(其他书籍上的推导是不妥当的)从上面公式可以得出这样的结论：负载上的电压只与主功放电流有关，当然线性指标也只与主功放相关，另外辅助功放的输出电压是受辅助功放电流牵制的。辅助功放工作在C类，其漏电流与输入电平之间的关系用最简单的线性模型图1Doherty功放的基本框图图2Doherty功放的等效电路PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion近似，如图3所示辅助功放的漏电流可以用下面的数学模型表征0()psatpmsatpsatIiIIiIig=-对于本文提到的经典电路，2g=。20opt2000opt22()mpsatmmsatpsatZIIiRVZZIZiIiRgg=--为了使得辅助功放能够控制住主功放电压值，大功率时保持预饱和状态，需要0optZRRg==Doherty功放工作的三个阶段从输入电平大小出发划分Doherty功放的工作区域，大致可分一下三个阶段：小信号阶段、中等信号阶段和大信号阶段，划分的依据为主功放的预饱和点Psat。小信号阶段，即insatPP时，由于辅助功放功做于C类，因此其截止，0pI=20opt2mmZVIR=主功放等效负载为20optopt22lZZRR==图2输出电流的线性近似PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion第二阶段，当输入电平接近于饱和点，辅助功放开启，由于辅助功放的推挽作用，功放的等效负载，由2Ropt向Ropt方向减小，而主功放电压受到辅助功放牵制，辅助功放也有开路状态向Ropt转变，如图所示第三阶段，辅助功放和主功放的电流增大，主功放输出电压不变（理想情况），保持高效率，而主功放的负载继续减小，功率输出增加，当辅助功放达到饱和时，主功放和辅助功放电流都达到最大值，主、辅功放负载为Ropt，功率输出达到最大。PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion总结：从Doherty功放的基本原理出发，我觉得它能够在较大范围内保持高效率的关键可以总结为以下几点：1.小信号提前饱和效应利用功放工作点越靠近饱和点，功放效率越高的特点，小信号时，辅助功放截止，主功放负载为2Ropt，主功放提前预饱和，效率提高；2.辅助功放的牵制作用为了保证主功放不进入饱和区而保持高效率，大信号时辅助功放开启，对主功放电压实现牵制作用；3推挽作用------负载调制为了保持主功放的高效率而不使其进入饱和状态，Doherty功放利用辅助功放的推挽作用，牵制住主功放的输出电压不变（理想情况），而其输出电流随输入电平变大，其等效负载减小2Ropt—Ropt，实现高功率输出，也称作“负载调制”.以上这些是Doherty功放的精髓所在，也是设计的关键所在。疑问：1．当辅助功放截止时，Doherty功放理论认为辅助功放为理想的开路状态，但是由于功放的输出匹配电路的存在，当管子截止时，其等效阻PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion抗并不一定相当大，即开路状态不一定能够实现。2．Doherty模型中的mV、mI、pV、pI究竟是功放输出端口的电压还是功放管漏源间电压！3．是不是小信号主功放的负载变为2R就能实现提前饱和而效率提高？！即，什么是效率提高的决定因素？！4．从现有的文献看，对于Doherty功放的研究都停留在小功率器件上（几瓦量级），关于大管子的报道很少，大功率器件Doherty功放设计的难度在哪？！为了能够验证和解决这些质疑，并且摸索Doherty功放的设计难点和关键，在进行实验的同时，通过仿真软件ADS进行模拟设计。“比较”是学习的一种很好的方式，所以分别进行了应用30W和150W管子的Doherty功放仿真，同时这样也能够说明某些现象的普遍性。2)ADS仿真MRF18030—Doherty功放的仿真设计为了摸索出Doherty功放的设计关键，验证上面的质疑和提出解决办法，进行了ADS仿真。问题：从现有的文献看，对于Doherty功放的研究都停留在小功率器件上，由于输出功率小，其输出匹配电路相当简单，只用一个电抗元件和电阻负载串并联完成，这样做自有其优点：负载牵引效果直接作用在器件两端，主功放提前进入预饱和的效果显著，但是这样的匹配电路Q值高带宽小，从这一角度出发本文中的匹配电路初步采用多阶微带线组成。从电路结构上讲经典的Doherty功放，如图3所示，但是存在两个问题：其一，虽然在大功率时主功放的负载为50欧姆满足了高功率输出的要求，但是小信号时其等效负载为100欧姆，经输出匹配电路变换后并不能保证漏极一定获得大的电阻，实现提前饱和，提高效率；其二，小信号时辅助功放截止，从两路信号交汇处向辅助功放看去的阻抗未必很大，也就是说并不能保证理想开路状况，引起主功放能量的泄漏，影响效率。办法：为了解决这样两个问题，文献[1]提供了如图4所示电路，在主功放和辅助功放的链路中加了补偿线（offsetline），主功放后的补偿线用于小信号时PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion漏极大电阻的实现，达到提前饱和提高效率的作用；而辅助功放后的补偿线用于将辅助功放的小阻抗变换成大阻抗，实现开路状态。补偿线作用的发挥可以如下解释：主功放和辅助功放的等效电路如下图所示，小信号时，功放管等效成受控电流源，其内阻抗为最佳负载阻抗共轭的并联等效电路。主功放加入补偿线后Zl的变化如绿色轨迹所示，Zlc如红色轨迹所示形成一个圆，它使得Zlc为纯的大电阻，这样才能提前饱和效率提高，强调纯电阻是因为如果存在电抗部分且很大，它将做无用功消耗能量，影响效率；辅助功放加入补偿线后Z0,peak的轨迹如图所示，实现了大电阻近似开路，遏制主功放功率泄漏到辅助功放。图3经典Doherty功放电路结构图4改进的Doherty功放电路结PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion分析：此理论在提供了最优匹配设计方法的同时，也间接的告诉这样一个结论，大管子的最佳阻抗很小，其在Smith圆图上很靠近短路点，由于功放的匹配电路是无源的，因此补偿线并不能将阻抗变换到大的纯电阻上面去，加上管子的转移特性并非是理想的线性，而呈平方律关系，提前饱和的效果并不能轻易实现，我觉得这是大管子难于实现Doherty功放的原因，可能也是很多文献不曾过多报道应用大管子进行Doherty功放设计的缘故。另外，这种方法在暗示决定提前饱和的直接因素是漏极电阻，等效负载并非直接因素，待验证！本文先从小功率器件设计入手（进行了30W管子Doherty功放的设计），研究Doherty功放的设计，为大功率Doherty功放的设计做准备。30W管子Doherty功放的设计负载牵引PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion为了保证整个系统的效率和增益，必须对主功放进行优化设计，为此必须确定其最佳源阻抗和负载阻抗，为了达到此目的利用负载牵引技术结合软件进行仿真。负载牵引技术是在一定范围内改变负载的阻抗值，然后观察功放的整体增益和效率，在最佳状态下确定最佳负载阻抗的方法，通常需要能大范围调谐的夹具充当负载和相应的测量仪器，由于现有的条件并不能满足此要求，本文用ADS软件进行模拟仿真，源负载阻抗由器件生产厂家给出的数据确定，结构如图通过仿真得到如下结果图功放负载牵引电路原理图PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion，经仿真得出当负载为6.2-j7.4时，效率为50%，增益为14dB，得到最佳负载和源阻抗后，进行匹配设计，经调整仿真主功放（AB类）PAE和增益如图为了验证在Doherty功放不同工作阶段的效果和摸索系统中各部件对整体的影响，进行了分步仿真，即增减不同的部件，观察其影响的大小和好坏，总结经验，指导功放设计。理想开路状态主功放效果：由于在小信号阶段，Doherty的基本理论认为辅助功放电路呈现开路状态，因此，为了仿真开路状态去掉辅助功放电路并且改负载为100欧姆进行仿真，电路如下图小信号主功放PAE的仿真电路图图普通AB类功放的PAEPDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion目的：1）验证在满足Doherty的基本理论假设的情况下，小信号范围内主功放是否具备高效率，什么决定了高效率；2）证明Doherty模型中的mV、mI、pV、pI究竟是功放输出端口的电压还是功放管子漏源间电压经仿真其PAE和增益与普通AB类相比，如下图蓝色——普通AB类放大器效率红色——功分器和辅助功放完全去除的主功放效率从这一结果可以推断，并不是主功放负载变成原来的两倍就可以提高效率，它不是直接的决定因素。为了达到提高效率的效果，加入一段补偿线，利用软件在10mm和50mm间以10mm为步长进行长度扫描，结果如下图理想开路状态主功放PAEPDFcreatedwithFin