基于二次諧波注入的Doherty功率放大器

摘要：針對傳統(tǒng)Doherty放大器在提高效率后會惡化線性指標(biāo)的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析與討論。提出了一種基于二次諧波注入(SHI)的Doherty結(jié)構(gòu)。采用GaN功率管CGH21240的仿真模型，設(shè)計了一款Doherty功率放大器。仿真結(jié)果顯示，該放大器的效率在輸出大于50 dBm后可以達(dá)到47％以上，比平衡式放大器改善約15％；三階交調(diào)在輸出為53 dBm時仍低于-30 dBc；在輸出為50 dBm時，比未采用二次諧波注入改善約10 dBc,，該放大器結(jié)構(gòu)簡單，且實現(xiàn)了效率和線性的同時改善。
關(guān)鍵詞：Doherty；二次諧波注入；線性指標(biāo)；功率附加效率；功率放大器

0 引言
    射頻功率放大器廣泛用于各種無線發(fā)射設(shè)備中。效率和線性是功率放大器兩個最重要的指標(biāo)。設(shè)計線性高效率的功率放大器，是目前該領(lǐng)域研究的熱點和難點。Doherty放大器是目前提高功率放大器效率中最有效和最廣泛使用的技術(shù)。該放大器能夠顯著地提高功率回退后的效率。但是，傳統(tǒng)的Doherty功放在效率和線性上無法同時兼顧，需要與專用的線性化技術(shù)相結(jié)合，以獲得盡量大的效率提高和線性改善。但是這些結(jié)構(gòu)難免比較復(fù)雜，實現(xiàn)也比較困難。針對以上問題，提出了一種基于二次諧波注入的Doherty結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果驗證了該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性能。

1 Doherty功率放大器設(shè)計
    關(guān)于Doherty的基本工作原理，在文獻(xiàn)中有詳細(xì)描述。在具體實現(xiàn)Doherty結(jié)構(gòu)時，為了得到盡量大的效率改善，設(shè)計關(guān)鍵點主要有：
    (1)輔助功放的柵極偏置電壓。該電壓決定輔助功放的開啟門限，該開啟點也就是理論上效率第一次達(dá)到最大的點。
    (2)輸出端補償線。輔助功放在截止時，其輸出端應(yīng)該表現(xiàn)為開路，但實際由主功放通路看進(jìn)去的阻抗為一個低阻抗，這就導(dǎo)致主功放的輸出功率有一部分會泄漏到輔助功放的支路上，這會極大地惡化增益和效率。因此，需要在輔助功放的輸出匹配電路后加一段特征阻抗為50 Ω的補償線，該補償線的作用是將輔助功放在截止時的輸出阻抗變換到一個高阻抗，以阻止主功放的輸出功率泄漏到該支路上。
    本文設(shè)計的Doherty結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 二次諧波注入分析
    為了分析Doherty放大器的非線性，需要對功放管進(jìn)行建模，這里采用多項式模型來分析。假設(shè)功放的非線性模型為：
     
    式中：y(t)為輸出信號；u(t)為輸入信號；a為功放的非線性系數(shù)，該系數(shù)與柵極偏置電壓有很大關(guān)系。對于一般的有源器件，a2為正，a3在AB類偏置下為負(fù)，C類偏置下為正。
    如果輸入一個等幅雙音信號：
    
    式中：A為輸入幅度；ω1，ω2為雙音角頻率，ω1<ω2。模型階數(shù)取為三階，則：
    
    從式(2)可以看出，系數(shù)a3對基頻增益和三階交調(diào)起主要作用。通常情況下，AB類功放的a3為負(fù)，C類功放的a3為正，因此存在AB類增益壓縮和C類增益擴展的現(xiàn)象。三階交調(diào)分量與a3和輸入幅度A有關(guān)。由于Doherty結(jié)構(gòu)中主功放和輔助功放分別工作在AB類和C類，因此二者的a3系數(shù)剛好相反。由此可知，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)钠秒妷汉洼斎牍β剩梢詫崿F(xiàn)三階交調(diào)在輸出端相消，從而改善線性。但是，偏置的改變會影響輔助功放的開啟門限，而輔助功放的開啟點對整個效率的提升起主要作用。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，三階交調(diào)相消的偏置和最大效率改善時的偏置不一樣，這也就是說，僅僅靠改變偏置無法達(dá)到最優(yōu)的效果。因此，需要引入更多的可調(diào)節(jié)變量。為了解決上述問題，從文獻(xiàn)中得到啟示，引入了二次諧波注入法。但是改善線性的原理同文獻(xiàn)中所描述的有所不同。
    如果輸入端注入二次諧波A1cos(2ω1t+φ1)+A2cos(2ω2t+φ2)，則輸出端的上邊帶三階交調(diào)可表示為：
    
    由于第三項數(shù)值很小，在此忽略不計，只保留前兩項，則：
    
    對于主功放和輔助功放，輸入采用均等功分，柵極偏置確定時，a2，a3和A就固定了。這時，兩路的三階交調(diào)可表示為：
    
    由此可知，可以通過調(diào)節(jié)，使得輸出端的三階交調(diào)相消而得到改善。對于下邊帶可以做同樣的分析。這時，每一路的三階交調(diào)可能比較差，但是合成后會得到改善。這也是由Doherty獨特的結(jié)構(gòu)所決定的。

3 Doherty功率放大器實現(xiàn)與仿真結(jié)果
    基于前面的理論分析，采用cree公司的GaN功放管模型，設(shè)計了一款基于二次諧波注入的Doherty放大器。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    仿真時輸入功率掃描范圍為5～48 dBm。經(jīng)過優(yōu)化，主放大器柵極偏置電壓為-2．35 V，輔助放大器柵極偏置電壓為-5 V，漏極偏置電壓均為28 V。功分器采用均等功分，耦合器的耦合度為-30 dB。仿真結(jié)果如圖3所示。

    從仿真結(jié)果可以看出，Doherty放大器能夠顯著改善回退后的效率，在6 dB回退點，效率比平衡式放大改善約15％；在8 dB回退點，效率仍在40％以上。未采用二次諧波注入時，效率改善更多，但是線性很差。采用二次諧波注入后，AM-AM，AM-PM，三階和五階交調(diào)以及pi／4QPSK ACPR都得到了明顯改善。二次諧波注入后可以很好地改善線性，而且對效率的影響不大。

4 結(jié)論
    本文提出了一種基于二次諧波注入的Doherty放大器，實現(xiàn)了效率和線性的同時改善，克服了傳統(tǒng)Doherty功率放大器的不足。該放大器不需要復(fù)雜的線性化電路，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)也很容易，具有很好的應(yīng)用前景。