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基于 GaN HEMT 的高效率 Doherty 功率放大器设计

2020-04-01 22:56rf射频/无线 人已围观

简介随着无线通信技术的发展,对通信速度和容量的需求不断增加,这在很大程度上取决于功率放大器的带宽、效率和线性度的提高。为了解决这些重要问题,Doherty 功率放大器由于功率...

  随着无线通信技术的发展,对通信速度和容量的需求不断增加,这在很大程度上取决于功率放大器的带宽、效率和线性度的提高。为了解决这些重要问题,Doherty 功率放大器由于功率回退处效率高、线性度良好和通信系统结构简单而被广泛使用。Doherty 功放通常由载波功率放大器和峰值功率放大器两路构成。而负载调制网络的存在使得 Doherty 功率放大器能够在功率回退的范围内实现较高的效率,理想的等分 Doherty 功率放大器可以在 6dB 功率回退处维持与饱和状态下相同的漏极效率。传统的 Doherty 功率放大器的负载调制网络仅由一段四分之一波长的阻抗变换线构成,它受功放工作带宽和晶体管寄生参数的影响极大。这将引起 Doherty 功放的有源负载调制机制不完全,从而引起 Doherty 功放效率降低。因此,设计宽带高效的 Doherty 功率放大器仍然是一个挑战。这将严重限制 Doherty 功率放大器在 5G时期的发展。
  
  为解决上述问题,本文基于 GaN HEMT 晶体管,在传统负载调制网络的基础上并联终端短路微带线构成新型负载调制网络,减少了 Doherty 的负载调制网络受载波功放晶体管寄生参数和功放工作带宽的影响,提高了 Doherty 功放的漏极效率。同时采用不等分结构设计,拓展了 Doherty 功放的功率回退范围。采用阶跃式阻抗匹配方法来设计主辅功放的输入输出匹配网络来拓展Doherty 功放的工作带宽。基于此,本文设计了一款工作在 2.8~3.2 GHz 的高效率 Doherty 功率放大器。
  

  1 Doherty 功放理论分析

  
  传统的 Doherty 功放的电路原理图如图 1 所示。载波功放和峰值功放通过载波功放支路阻抗为 ZC、电长度为 θ1 的阻抗变换线完成有源负载调制。然而,单一的阻抗变换线受工作带宽限制。
  
  图 1 中,Cout 是载波放大器晶体管的输出电容,Zload 是功放的负载阻抗。
  图 1 传统Doherty 功放负载调制网络图
  图 1 传统Doherty 功放负载调制网络图
  
  查阅相关射频电路资料可得到 1 /4  波长传输线工作带宽的近似表达式:
  
  公式1
  
  其中,Δf/f0 表示四分之一波长的相对带宽;Γm 表示的是最大反射系数,ZL 和 Z0 分别是输入和输出端口的阻抗值。由式(1)可知,理论上,当其它参数固定时,可以通过减小输入阻抗 Z0 和输出阻抗 ZL 的比值来增大 Δf/f0,从而拓展带宽。
  
  图 1 中的晶体管的输出电容的大小由下式给出:
  
  公式2
  
  其中,Cout0、A、B、C 都是常数,且 Cout0=1.9, A=1192.4,B=-0.0594714,C=-2.94696。
  
  由式(2),晶体管的输出电容随着漏极电压的变化而变化也即和输入的功率大小有关。因此,对于不同的输入功率,晶体管的输出电容也将不同,这就影响到负载调制网络的阻抗特性,从而影响到 Doherty 功放的负载调制效果。
  
  针对传统 Doherty 负载调制网络存在的问题, 本文提出一种新型的负载调制网络。图 2 是本文提出的新型负载调制网络拓扑图。
  图 2 新型负载调制网络的拓扑图
  图 2 新型负载调制网络的拓扑图
  
  在图 2 展示的新型负载调制网络拓扑图中, 针对传统负载调制网络中阻抗变换线的带宽限制,将图 1 中的阻抗为 ZC 的微带线用阻抗为 ZC1 和 ZC2 的微带线替代,进而减小了阻抗变换比,由式(1)可以得出,理论上可以增大相对带宽。同时并联的特征阻抗为 ZC3 微带线是用来减小载波功放晶体管输出电容对于负载调制网络的影响。
  

  2 Doherty 功放的设计

  
  基于所提出的新型负载调制网络,为了提高功率回退范围,本文采用非对称结构设计。为了达到 9dB 的功率回退范围,功分器设计成载波和峰值功放为 1:2 的功率分配比。因此可以得出载波功放的输出阻抗 ZC 在高输入功率和低输入功率时分别为 50 Ω 和 150 Ω。合路端阻抗 ZH在高输入功率和低输入功率时分别为 150 Ω 和 50 Ω。所设计的 Doherty 功放的拓扑结构图如图 3 所示。
  图 3 Doherty 功放的拓扑图
  图 3 Doherty 功放的拓扑图
  
  根据传输线理论,图 3 中的阻抗 Z2 和 Z3 可以表示为:
  
  公式3-4
  
  其中,β 是波数,l 为微带线的长度。阻抗 Z1、Z2 和 Z3 之间的关系为:
  
  公式5
  
  因此,载波放大器输出端阻抗表达式 ZC 可表示为:
  
  公式6
  
  在确定 T1、T2、T3 三段微带线特征阻抗和电长度时,可以根据公式(3)、(4)、(5)和(6)计算出符合阻抗变换要求的三段微带线的解集。同样根据补偿网络设计要求可以计算出补偿输出电容的三段微带线解集。再根据设计电路实际情况选取可以同时满足阻抗变换和寄生参数补偿的 T1、T2、T3 三段微带线特征阻抗和电长度。设计出可以提高效率和回退范围的新型负载调制网络。图 3 中B 点处的实部阻抗随频率的变化曲线如图 4 所示。
  图 4 B 点处的阻抗随频率的变化图
  图 4 B 点处的阻抗随频率的变化图

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