15基于TD-SCDMA的Doherty高效率线性功放研究

基于TD-SCDMA的Doherty高效率功放研究李力力,尉旭波（电子科技大学电子科学与技术学院四川成都611731）摘要：在无线通信系统设计中，功率放大器的效率和线性度影响整个系统的性能。本文对Doherty技术原理进行了推导，提出了一种新型的非对称Doherty放大器结构并实现了应用于TD-SCDMA2010～2025MHz频段的高效率功率放大器设计。结合仿真结果，对平衡式AB类放大器、传统的Doherty功放、新型非对称的Doherty结构进行了对比，验证了新型的非对称Doherty放大器的高效率性。关键词：TD-SCDMA；非对称Doherty放大器；包络跟踪；高效率DesignofDohertyPowerAmplifierwithHighEfficiencyLiLili，WeiXubo(ResearchInstituteofElectronicScienceandTechnology，UniversityofElectronicscienceandTechnologyofChina,Chengdu611731,China)Abstract：Theefficiencyandlinearityinpoweramplifierdeterminestheperformanceofthewholesysteminthedesignofwirelesscommunicationsystem．Inthispaper,thecharacteristicsofDohertyamplifieranditadvantagescomparingwithothertechnologiesofenhancingefficiencyareresearchedanddesignanewNon-symmetricalDohertyamplifierusedinTD-SCDMA.Meanwhile,accordingtosimulation,thecharacteristicofhighefficiencyisprovedandcontrastedwiththeclass-ABamplifierandsymmetricalDoherty.Keywords：TD-SCDMA;Non-symmetricalDohertyamplifier;Envelopetracking;Highefficiency;引言：随着3G、4G时代的来临,为了提高数据传输速率和频谱利用率，现代移动通信多采用了线性调制方式和多载波技术，导致信号的峰均比越来越高，系统效率低下，系统的耗能问题受到越来越多的重视。射频功率放大器作为最重要的耗能元件,在整个无线通信系统中的耗能占了很大比重,追求更高的功放效率已经成了设备制造商们的重要目标[1]。针对功放效率,国内外在开关模式Class-E/F功放技术[2]、包络跟踪技术(Envelopetrackingtechnology)、LINC技术和Doherty放大器等方向进行过研究[3]。Doherty技术同其他几种技术相比,有着结构简单、成本低廉、对系统线性度影响相对较小并且极其适用于高峰均比的现代无线信号高效率传输的优点,因此已经成为现代无线通信放大器设计中最有商用前景的技术。本文通过对Doherty技术的原理进行研究,设计出了运用于TD-SCDMA标准下的非对称Doherty放大器。同时，通过仿真结果，将本设计的非对称Doherty功放与AB类平衡式功放、传统Doherty功放性能进行了比较。1Doherty放大器的原理1.1Doherty放大器的工作模式Doherty电路拓扑如图1所示，包括主放大器和辅助放大器。两个放大器并行连接，主放大器串接一条λ/4的微带线具有阻抗变换作用，辅助放大器前λ/4波长线具有相位平衡作用。主功率放大器引入1/4波长线的目的是在辅助功放工作时，具有将主功放的视在阻抗减小的作用，保证辅助功放工作时和后面的电路组成的有源负载阻抗变低。当主放大器接近饱和时辅助放大器输出电流，由此减小主放大器的输出阻抗，使其在达到饱和时输出更多的电流。主功放工作在B类或AB类，辅助功放工作在C类[4]。图1Doherty放大器原理1.2Doherty公式原理推导Two-WayDoherty放大器的输出端示意图如图2所示。根据图2可得：200[1]LoadIZZI，022[1]LoadIZZI（1）图2有源负载牵引原理根据1/4波长线理论可知，10TLZZZ，则有：1212TLVVZII（2）式中1120VIVI。根据参量矩阵有：1120010[]1/0TLTLTLVjZjVVIIjZIZ（3）将式（3）代入式（1）可得：021(1)TLLoadIZZZjV（4）将式（4）代入式（2）可得：21211TLTLLooadZZIZZjV（5）则主输入电压为：21111211TLTLLoadZVIZIIZZjV（6）设m1I(1)4axIn，m2I2axIjn。选取n=1，输出电压不变时，主放大器功率会回退6dB,其中mIax为主放大器在最大功率输出时的输出电流。将式（7）代入式（6）可得：2m1m1I(1)4I12axTLaxTLLoadnZVnZZV（8）化简的：m1I((2))4axTLTLTLLoadLoadZVZnZZZ（9）若1V保持不变，主放大器电流为mIax/2,即功率回退6dB时，要满足放大器效率能与提升至峰值功率时相同，则要求2TLLaodZZ，既微带线特性阻抗等于负载阻抗的2倍，将主放大器达到峰值输出电压时，电流输出为峰值的0.5倍。1.3Doherty功放的工作状态及其效率Doherty放大器具有低功率工作状态、中功率工作状态、高功率工作状态，Doherty放大器输入中低功率工作状态示意图如图3所示，高功率工作状态示意图如图4所示。图3中小功率状态图4高功率输入在中功率状态，辅助放大器开始工作，随着输入功率的继续增加，辅助放大器会达到饱和输出点。一旦达到最大功率输出点，主放大器和辅助放大器都以最佳匹配电阻输出，此时Doherty放大器达到高功率工作状态，效率也达到最高。为了更多的提高效率，可以采用包络跟踪（ET）和多级Doherty放大器如图5所示[5]以及非对称Doherty结构。图5多级Doherty放大器的效率曲线2仿真与验证本功率放大器的仿真模型使用freescale公司最新出品的MRF7P20040H芯片，输入2017.5MHz的射频信号，对输入功率进行扫描0～36dBm，其中对20～33dBm进行精细扫描，辅助放大器的栅极偏置Vgs2为1.8V，漏极偏置Vds2为35V；主放大器的栅极偏置电压经过优化确定为Vgs1为2.8V，漏极偏置Vds1为24V。错误!未找到引用源。为本非对称Doherty功放的电路图示意图。如图使用不等功分将输入信号分成两路，一路通过可调衰减器（调试用），接载波功放；一路经过四分之一波长线接峰值功放，其中载波功放工作于高线性的AB类，峰值功放工作于高效率的C类。为了降低载波功放的功率通过峰值功放泄露，在峰值功放后加入延迟线，增加峰值功放的输出阻抗。射频输出端口前面接入特性阻抗为35.5的四分之一波长线，作用有二：其一使得K点的阻抗变化为25；其二降低输出阻抗，从而降低小功率状态下峰值功放的泄露功率。在此后再加一段阻抗为50的四分之一波长线，是阻抗变换为100，从而提高载波功放的效率。如图，为了降低小功率时峰值功放的泄露功率，在载波功放后加入一段延迟线，使得其输出阻抗尽量大，同时在载波功放支路加入相位补偿线。功放输出端，加入3阶5阶交调分量滤除电路。图6非对称Doherty功放示意图图7是AB类平衡式功放、传统Doherty和非对称Doherty功放的输出功率比较图，红色线是非对称doherty功放的输出功率图，粉色线是传统doherty功放输出功率图，蓝色的是AB类平衡式功放的输出功率图。由图可知，本功放在输入功率Pin=30dBm时，输出功率为Pout=45dBm。图7三种功放电路的输出功率图8三种功放输出漏极效率的仿真结果图8是设计的非对称Doherty功放（蓝色），传统Doherty功放（红色）以及AB类平衡式功放（粉色）的输出效率图，由图中可知，在高峰均比的系统中，为了保证功放的线性度同时提高功放效率，P1dB为45dBm的晶体管功率回退8dB时（即5W），非对称Doherty功放的漏极效率可到40%（蓝色），分别比AB类平衡式功放（粉色）和传统Doherty功放（红色）提高21dB和6dB；当回退12dB时（即2W）功放的漏极效率可到33%，分别比平衡式功放和传统Doherty功放提高20dB和8dB。对本设计中的非对称Doherty进行非线性研究，图10、图11分别是ACPR和EVM曲线。随着输入功率的加大，非对称Doherty的非线性逐渐变差，尤其到达P1dB时，EVM参数迅速上升。要想达到更好的线性度，需结合前馈或数字预失真实现。图10ACPR曲线图11EVM曲线3结束语本文阐述了Doherty工作原理并对其工作状态进行了分析，最后基于freescale公司最新出品的MRF7P20040H芯片，设计了一种适用于TD-SCDMA的非对称Doherty功放，并对非对称Doherty功放、传统Doherty功放和AB类平衡式功放做了比较，结果发现Doherty功放比平衡式功放在中小功率输入阶段，效率得到了很大的提高，非对称Doherty尤为明显。不过线性度有些恶化，结合数字预失真技术等线性化技术，可以实现线性的高效率功放。参考文献[1]张玉兴.射频模拟技术[M].北京:电子工业出版社,2002.[2]胡捍英,杨义.第三代移动通信系统[M].北京:人民邮电出版社,2001.[3]吴琦.基于Doherty理论的L波段40W功放研究[D].成都:电子科技大学,2007.[4]CraigSteinbeiser,ThomasLandon,CharlesSuckling,250WHVHBTDohertywith57%WCDMAEfficiencyLinearizedto-55dBcfor2c116.5dBPAR,IEEE,CompoundSemiconductorIntegratedCircuitSymposium,2007.[5]YoungooYang;JeonghyeonCha;BumjaeShin;BummanKim,AfullymatchedN-wayDohertyamplifierwithoptimizedlinearity,MicrowaveTheoryandTechniques,IEEETransactionson,2003,Page(s):986-993作者简介：李力力（1986-），男，电子科技大学电子科学技术研究院在读研究生，研究方向：微波/射频电路与器件（线性高效率功率放大器）,Email:[e-mail]。