应用于 TD-SCDMA 系统的 20W Doherty 放大器设计
一、Doherty 工作原理
最基本的 Doherty 放大器是由两个放大管组成的,其结构如图 1 所示。
上面的功放通常称为载频放大器或主放大器,该放大器配置为线性状态,即 AB 类放大模式;下面的功放通常称为峰值放大器或辅助放大器,该放大器配置为非线性状态,即 C 类放大模式。
Doherty放大器提高效率的根本原理,主要是:
1) 在整个放大器的动态范围内,其负载性能随着输入功率的变化呈现动态调整;
2) 峰值放大器工作在 C 类模式。
对于最基本的 Doherty 技术来说,动态负载调整,是由一个阻抗变换电路来实现的。该阻抗变换电路采用一段 50 欧姆 1/4 波长的传输线和一段 50/√2(35 欧姆)的传输线进行组合。
在图 1 的原理图中,根据传输线理论,理想的 50 欧姆的负载阻抗通过 35 欧姆的传输线的变换,在 K 点实现 25 欧姆的阻抗。
在低功率输入情况下,由于峰值放大器配置为 C 类,所以此时处于关断状态,其输出端口的阻抗为无穷大(相当于在 K 点开路)。 对于主放大器来说,K 点的 25 欧姆的阻抗,通过其后的一段 1/4 波长 50 欧姆的传输线变换,在其输出端口实现 100 欧姆的等效阻抗。也就是说,通过一系列的阻抗变换,在低功率情况下,主放大器的等效负载阻抗为 100 欧姆。
对于主放大器来说,在低功率情况下,由于负载阻抗的增加,
●其增益增加了 3dB,
●1dB 压缩点回退了 3dB,
由于在低功率情况下主放大器工作在 AB 类,其增益增加,带来了效率的增加,同时弥补了峰值放大器的增益损失;
由于此时为低功率放大,1dB 压缩点的回退对整体输出功率影响不大。
在高功率输入情况下,由于峰值放大器开始工作,从而拉低了 K 点的等效阻抗,通过适当调整峰值放大器的工作状态(主要是峰值放大器的工作点的调整),可以实现在主放大器的输出端口实现 50 欧姆的等效阻抗。
二、Doherty 放大器的设计
根据理论分析,在整个 Doherty 模块输出功率回退 6dB 时,其效率达到最大值。我们要求输出功率达到 43dBm,其总输出功率应当在 49dBm 左右,因而我们选取 Freescale 公司的 MRF6S21050 50 瓦 LDMOS 管。
1) MRF6S2150 的技术性能;
2) PCB 设计
根据功放管的特性,我们设计了实际的功放电路,如图 2 所示;
3) 测试数据
我们选取 6 载波的 TD 信号,
-6C TDSCDMA, 7.7 dB PAR@0.01%CCDF
-偏置情况: Vd_carrier=Vd_peak=28V,
Id_carrier=450mA,
Vg_peak=1.9V
三、结论
从上面测试结果可以看出,测试结果完全满足 TD 系统的要求,在 43dBm 的输出功率情况下,其效率可以达到 39%,远远高于双 AB 类放大器的合成。
但是,必须注意,由于数字预失真 DPD 的实现方法不同,带来的 ACPR 线性改善效果也不同,所以,放大器的调整必须与数字预失真 DPD 系统进行结合,才能得到最佳效果。
附言:本文章的测试电路和测试结果,均来自于 Freescale 上海实验室的相关资料,在此表示衷心感谢。
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