基于二次諧波注入的Doherty功率放大器

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)Doherty放大器在提高效率后會(huì)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(jì)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(shí)仍低于-30 dBc；在輸出為50 dBm時(shí)，比未采用二次諧波注入改善約10 dBc,，該放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且實(shí)現(xiàn)了效率和線性的同時(shí)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(gè)最重要的指標(biāo)。設(shè)計(jì)線性高效率的功率放大器，是目前該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。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(shí)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(shí)現(xiàn)也比較困難。針對(duì)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(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性能。

1 Doherty功率放大器設(shè)計(jì)
    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(shí)現(xiàn)Doherty結(jié)構(gòu)時(shí)，為了得到盡量大的效率改善，設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)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(diǎn)也就是理論上效率第一次達(dá)到最大的點(diǎn)。
    (2)輸出端補(bǔ)償線。輔助功放在截止時(shí)，其輸出端應(yīng)該表現(xiàn)為開路，但實(shí)際由主功放通路看進(jìn)去的阻抗為一個(gè)低阻抗，這就導(dǎo)致主功放的輸出功率有一部分會(huì)泄漏到輔助功放的支路上，這會(huì)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(bǔ)償線，該補(bǔ)償線的作用是將輔助功放在截止時(shí)的輸出阻抗變換到一個(gè)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(jì)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(duì)功放管進(jìn)行建模，這里采用多項(xiàng)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(hào)；u(t)為輸入信號(hào)；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(duì)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(gè)等幅雙音信號(hào)：
    
    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(duì)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(kuò)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?shí)現(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(huì)影響輔助功放的開啟門限，而輔助功放的開啟點(diǎn)對(duì)整個(gè)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(shí)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(xiàng)數(shù)值很小，在此忽略不計(jì)，只保留前兩項(xiàng)，則：
    
    對(duì)于主功放和輔助功放，輸入采用均等功分，柵極偏置確定時(shí)，a2，a3和A就固定了。這時(shí)，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(duì)于下邊帶可以做同樣的分析。這時(shí)，每一路的三階交調(diào)可能比較差，但是合成后會(huì)得到改善。這也是由Doherty獨(dú)特的結(jié)構(gòu)所決定的。

3 Doherty功率放大器實(shí)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(jì)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(shí)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(diǎn)，效率比平衡式放大改善約15％；在8 dB回退點(diǎn)，效率仍在40％以上。未采用二次諧波注入時(shí)，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(duì)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(shí)現(xiàn)了效率和線性的同時(shí)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(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)也很容易，具有很好的應(yīng)用前景。