395MHz-455MHz Doherty放大器一种紧凑型实现方法
摘要：本文描述了395mhz-455mhz doherty放大器的一种紧凑型设计方法。在本文中，90度混合电桥被用作doherty合成器，用来替代传统的四分之一波长线来实现doherty合成器，随着应用频率的降低四分之一波长线将占用更大的布板面积，甚至有的时候无法实现。在本文中，我们设计实现了一种非常紧凑型的doherty放大器，并将和基于相同输入输出匹配电路实现的平衡式ab类放大器做性能对比，最终我们设计实现了在输出功率43dbm时，漏极效率43%，未校正邻道泄漏比-33dbc，输出信号的峰均比7.5db。
早在1936年，w.h. doherty首次提出了一种高效节能的放大器结构［1］。由于效率高，结构简单并且不需要复杂的外围电路，doherty放大器获得了非常广泛的应用。典型的doherty放大器结构框图如图1所示，由载波放大器，峰值放大器以及doherty合成器组成。传统的doherty合成器会随着频率的降低占用更大的pcb板面积，甚至有的时候体积庞大到无法实现布板。如果采用传统设计方法，在ro4350b 20mil基材上设计实现395mhz-455mhz的doherty合成器，合成器中的每条四分之一波长线长度将超过100mm，这就意味着需要更大的pcb板面积，从而增加了产品的成本。
图1、doherty放大器的结构框图
在本文中，基于90度混合电桥，我们设计并实现了一种非常紧凑型的doherty高效放大器，其中载波放大器和峰值放大器采用飞思卡尔的功率放大器mrfe6s9045n。为了更好的理解本设计，我们将分析传统doherty放大器的工作原理，并将与本设计的工作原理作对比。
1、设计方法 本文中的90度混合电桥采用anaren公司的11303-3。90度混合电桥其等效的分支线耦合器的电路图如图2所示。尽管90度混合电桥和分支线耦合器具有相同的功能，但是就395mhz-455mhz频率而言，实现体积相差甚远，11303-3器件的封装面积为16mm*12mm，如果在ro4350b 20mil厚基材上设计395mhz-455mhz分支线耦合器，其占用的布板面积约为100mm*100mm。运用奇偶模分析方法分析分支线耦合器［2］，我们可以得到图2中（b） （c） （d）电路在电气功能上是完全等效的，图2中电路（e）和电路（f）在电气功能上是完全等效的。当然，我们也可以借助安捷伦仿真软件advanced design system （ads） 进行s参数仿真，以验证上述结论。
图2、90度混合电桥的微带等效电路
通过上述分析，我们可以看出90度混合电桥和传统的doherty合成器具有完全相同的电气性能，对于低频应用而言，90度混合电桥实现面积更小。
doherty放大器的基本工作原理是有源负载牵引［3］。正如图1所示，doherty放大器由载波放大器和峰值放大器组成，doherty合成器将在载波放大器和峰值放大器连接在一起。为了能够更好的理解doherty放大器的工作原理，本文用安捷伦的agilent’s advanced design system （ads）软件搭建了仿真工程如图3所示。在仿真工程中，我们将把功率放大管抽象成理想的压控电流源，在归一化输入电压前提下，通过图3中的var expression控件设置 载波放大器和峰值放大器电流，载波放大器和峰值放大器电流和输入电压的关系曲线如图4左上子图所示。
图3、doherty 放大器工作原理仿真工程
当归一化输入电压为（0~0.5）时，输出匹配电路呈献给载波放大器的阻抗是所对应的传统ab类放大器阻抗的两倍，如图4左下子图所示。由于输出匹配电路阻抗提高到传统ab类放大器的两倍，所以当归一化输入电压达到0.5时，载波放大器将达到传统放大器临界饱和点，因此效率也将达到临界饱和点的效率，比如b类放大器的临界饱和效率为pi/4。在这个输入电压范围内载波放大器和基于同样器件设计的传统ab类放大器相比，因为载波放大器输出匹配电路所呈现的阻抗是传统ab类放大器的两倍，所以理论上载波放大器的增益将要高出ab类放大器3db，输出1db压缩点降低3db。
当归一化输入电压为（0.5~1）时，峰值放大器开始工作导通，峰值放大器输出的电流在doherty有源负载牵引技术中扮演重要作用。如图4右上子图所示，在归一化输入电压为（0.5~1）范围内载波放大器始终保持在临界饱和状态，所以载波放大器的效率始终保持在临界饱和效率，载波放大器输出匹配电路所呈现的阻抗也将由2zopt调制到zopt，相对应的峰值放大器输出匹配电路所呈现的阻抗将有无穷大调制到zopt，如图4左下子图所示。此时归一化的峰值放大器的漏极电压也将由0.5调制到1，因此峰值放大器也将由临界饱和效率的50%，逐步提高到临界饱和效率，最终doherty放大器的合成效率如图4右下子图所示。同样我们也可以通过ads仿真验证，理想doherty放大器的输入输出功率是完全线性的［4］［5］。
图4、doherty放大器ads仿真结果
2、设计实现 本文采用mrfe6s9045n设计实现了紧凑型395mhz-455mhz doherty放大器，为了对比doherty放大器的性能，本文也同样制作调试了基于同样器件同样匹配电路的ab类，平衡式放大器，设计实现的doherty放大器如图5所示。在输入端口，我们采用90度混合电桥将功放输入信号一分为二，分别送给载波放大器和峰值放大器，载波放大器偏置在ab类，静态偏执电流为350ma。峰值放大器偏置在c类，栅极偏置电压为1.5v，载波放大器和峰值放大器放大后的信号将通过另一个90度混合电桥合成后输出。如图5所示，输出90度混合电桥的隔离端口的一段50欧姆的开口线，其作用是作为载波放大器和峰值放大器共同的相位补偿线。
图5、紧凑型doherty放大器实物图
3、测试结果 在本文中，将用连续波单音信号测试所设计的功率放大器性能。选取395mhz和455mhz测试结果罗列如下。
在395mhz处，测试所得的增益和效率对输出功率的曲线如图6所示，测试数据显示在输出功率为43dbm时，功放漏极效率为43%， 饱和输出功率高于49dbm。
图6、395mhz 增益和效率测试数据
在455mhz处，测试所得的增益和效率对输出功率的曲线如图7所示，测试数据显示在输出功率为43dbm时，功放漏极效率为45%， 饱和输出功率高于49dbm。
图7、455mhz 增益和效率测试数据
典型的单载波w-cdma信号测试性能如表1所示，测试所用输入信号的峰均比为9.9db（在互补累计分布函数概率为0.01%条件下测得）功放输出平均功率为43dbm。
表1、doherty 放大器单载波w-cdma信号测试性能
frequencygain（db）pae （%）aclr（dbc）par（db）
395 mhz20.59743.30%-33.6dbc7.5
425mhz22.943.80%-34.4dbc7.62
455mhz20.41545.20%-33.5dbc7.58
为了对比所设计的doherty放大器和传统ab类放大器性能，本文设计调试了一个基于同样器件和同样匹配电路的平衡式ab类放大器，典型的单载波w-cdma信号测试性能如表2所示，测试所用输入信号的峰均比为9.9db（在互补累计分布函数概率为0.01%条件下测得），功放输出平均功率为43dbm，从表2中我们可以看出，对于同样的43dbm的输出功率，doherty放大器呈现了更高的效率，平衡式放大器呈现了更好的线性。
表2、ab类的平衡式放大器w-cdma信号测试性能
frequencygain（db）pae （%）aclr（dbc）par（db）
395 mhz21.218.60%-43.5dbc8.52
425mhz23.521%-40.3dbc8.31
455mhz24.41520.80%-41.8dbc8.41
4、结论 本文提出了一种395mhz到455mhz紧凑型doherty放大器的设计方法， 采用了飞思卡尔公司的ldmos器件mrfe6s9045n。设计实现了在单载波w-cdma输出平均功率为43dbm时，漏极效率高于43%，相对于传统的doherty放大器设计方法，本文呈现了一种紧凑型doherty设计方法，节约了pcb板的面积，并且达到了很好的性能。本文也证明了在低频段设计应用上，90度混合电桥可以用来作为doherty的合成器。
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早在1936年，w.h. doherty首次提出了一种高效节能的放大器结构［1］。由于效率高，结构简单并且不需要复杂的外围电路，doherty放大器获得了非常广泛的应用。典型的doherty放大器结构框图如图1所示，由载波放大器，峰值放大器以及doherty合成器组成。传统的doherty合成器会随着频率的降低占用更大的pcb板面积，甚至有的时候体积庞大到无法实现布板。如果采用传统设计方法，在ro4350b 20mil基材上设计实现395mhz-455mhz的doherty合成器，合成器中的每条四分之一波长线长度将超过100mm，这就意味着需要更大的pcb板面积，从而增加了产品的成本。
图1、doherty放大器的结构框图
在本文中，基于90度混合电桥，我们设计并实现了一种非常紧凑型的doherty高效放大器，其中载波放大器和峰值放大器采用飞思卡尔的功率放大器mrfe6s9045n。为了更好的理解本设计，我们将分析传统doherty放大器的工作原理，并将与本设计的工作原理作对比。
1、设计方法 本文中的90度混合电桥采用anaren公司的11303-3。90度混合电桥其等效的分支线耦合器的电路图如图2所示。尽管90度混合电桥和分支线耦合器具有相同的功能，但是就395mhz-455mhz频率而言，实现体积相差甚远，11303-3器件的封装面积为16mm*12mm，如果在ro4350b 20mil厚基材上设计395mhz-455mhz分支线耦合器，其占用的布板面积约为100mm*100mm。运用奇偶模分析方法分析分支线耦合器［2］，我们可以得到图2中（b） （c） （d）电路在电气功能上是完全等效的，图2中电路（e）和电路（f）在电气功能上是完全等效的。当然，我们也可以借助安捷伦仿真软件advanced design system （ads） 进行s参数仿真，以验证上述结论。
图2、90度混合电桥的微带等效电路
通过上述分析，我们可以看出90度混合电桥和传统的doherty合成器具有完全相同的电气性能，对于低频应用而言，90度混合电桥实现面积更小。
doherty放大器的基本工作原理是有源负载牵引［3］。正如图1所示，doherty放大器由载波放大器和峰值放大器组成，doherty合成器将在载波放大器和峰值放大器连接在一起。为了能够更好的理解doherty放大器的工作原理，本文用安捷伦的agilent’s advanced design system （ads）软件搭建了仿真工程如图3所示。在仿真工程中，我们将把功率放大管抽象成理想的压控电流源，在归一化输入电压前提下，通过图3中的var expression控件设置 载波放大器和峰值放大器电流，载波放大器和峰值放大器电流和输入电压的关系曲线如图4左上子图所示。
图3、doherty 放大器工作原理仿真工程
当归一化输入电压为（0~0.5）时，输出匹配电路呈献给载波放大器的阻抗是所对应的传统ab类放大器阻抗的两倍，如图4左下子图所示。由于输出匹配电路阻抗提高到传统ab类放大器的两倍，所以当归一化输入电压达到0.5时，载波放大器将达到传统放大器临界饱和点，因此效率也将达到临界饱和点的效率，比如b类放大器的临界饱和效率为pi/4。在这个输入电压范围内载波放大器和基于同样器件设计的传统ab类放大器相比，因为载波放大器输出匹配电路所呈现的阻抗是传统ab类放大器的两倍，所以理论上载波放大器的增益将要高出ab类放大器3db，输出1db压缩点降低3db。
当归一化输入电压为（0.5~1）时，峰值放大器开始工作导通，峰值放大器输出的电流在doherty有源负载牵引技术中扮演重要作用。如图4右上子图所示，在归一化输入电压为（0.5~1）范围内载波放大器始终保持在临界饱和状态，所以载波放大器的效率始终保持在临界饱和效率，载波放大器输出匹配电路所呈现的阻抗也将由2zopt调制到zopt，相对应的峰值放大器输出匹配电路所呈现的阻抗将有无穷大调制到zopt，如图4左下子图所示。此时归一化的峰值放大器的漏极电压也将由0.5调制到1，因此峰值放大器也将由临界饱和效率的50%，逐步提高到临界饱和效率，最终doherty放大器的合成效率如图4右下子图所示。同样我们也可以通过ads仿真验证，理想doherty放大器的输入输出功率是完全线性的［4］［5］。
图4、doherty放大器ads仿真结果
2、设计实现 本文采用mrfe6s9045n设计实现了紧凑型395mhz-455mhz doherty放大器，为了对比doherty放大器的性能，本文也同样制作调试了基于同样器件同样匹配电路的ab类，平衡式放大器，设计实现的doherty放大器如图5所示。在输入端口，我们采用90度混合电桥将功放输入信号一分为二，分别送给载波放大器和峰值放大器，载波放大器偏置在ab类，静态偏执电流为350ma。峰值放大器偏置在c类，栅极偏置电压为1.5v，载波放大器和峰值放大器放大后的信号将通过另一个90度混合电桥合成后输出。如图5所示，输出90度混合电桥的隔离端口的一段50欧姆的开口线，其作用是作为载波放大器和峰值放大器共同的相位补偿线。
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图6、395mhz 增益和效率测试数据
在455mhz处，测试所得的增益和效率对输出功率的曲线如图7所示，测试数据显示在输出功率为43dbm时，功放漏极效率为45%， 饱和输出功率高于49dbm。
图7、455mhz 增益和效率测试数据
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表1、doherty 放大器单载波w-cdma信号测试性能
frequencygain（db）pae （%）aclr（dbc）par（db）
395 mhz20.59743.30%-33.6dbc7.5
425mhz22.943.80%-34.4dbc7.62
455mhz20.41545.20%-33.5dbc7.58
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表2、ab类的平衡式放大器w-cdma信号测试性能
frequencygain（db）pae （%）aclr（dbc）par（db）
395 mhz21.218.60%-43.5dbc8.52
425mhz23.521%-40.3dbc8.31
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4、结论 本文提出了一种395mhz到455mhz紧凑型doherty放大器的设计方法， 采用了飞思卡尔公司的ldmos器件mrfe6s9045n。设计实现了在单载波w-cdma输出平均功率为43dbm时，漏极效率高于43%，相对于传统的doherty放大器设计方法，本文呈现了一种紧凑型doherty设计方法，节约了pcb板的面积，并且达到了很好的性能。本文也证明了在低频段设计应用上，90度混合电桥可以用来作为doherty的合成器。
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