模擬預(yù)失真與Doherty技術(shù)結(jié)合研究

方 偉

(船舶重工集團(tuán)公司723所,揚(yáng)州225001)

0 引 言

隨著第3代移動(dòng)通信技術(shù)的提出,各種新的調(diào)制方式被廣泛應(yīng)用,比如二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)、正交相移鍵控(QPSK)、正交振幅調(diào)制(QAM)等。其信號(hào)的功率峰均比相當(dāng)高,因此對(duì)功放的線(xiàn)性度提出了更高的要求;而使用傳統(tǒng)的回退方式來(lái)滿(mǎn)足這樣高線(xiàn)性度的要求就需要加大回退,這就勢(shì)必大幅降低功放的效率。

在各種功率放大器的線(xiàn)性化技術(shù)中,預(yù)失真技術(shù)由于其成本低、線(xiàn)性化效果明顯,成為被廣泛研究和采用的方式。而在提高功放效率的技術(shù)中,Doherty技術(shù)也成為目前主流的提高功率放大器輸出效率的方式。將這兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合可以對(duì)功率放大器進(jìn)行最大的優(yōu)化,充分發(fā)揮功率放大器的性能,實(shí)現(xiàn)以往傳統(tǒng)功放或者單一技術(shù)功放所不能實(shí)現(xiàn)的性能。

1 基本原理

1.1 模擬預(yù)失真的基本原理

模擬預(yù)失真是一種原理比較簡(jiǎn)單的功放線(xiàn)性化技術(shù),通過(guò)在功率放大器前面串聯(lián)一個(gè)模擬器件,使該模擬器件的非線(xiàn)性特性與功放的非線(xiàn)性特性相反,抵消部分功放的非線(xiàn)性輸出,從而達(dá)到改善功放輸出的線(xiàn)性度。這種傳統(tǒng)意義的模擬預(yù)失真技術(shù)雖然原理簡(jiǎn)單,可是由于不同功放的線(xiàn)性失真情況不盡相同,所以模擬預(yù)失真器件的選取和調(diào)試都較復(fù)雜,實(shí)際操作時(shí)較難實(shí)現(xiàn),同時(shí)效果也不太顯著。如圖1所示,為了解決這個(gè)問(wèn)題可以在功放的輸出端加入一個(gè)反饋線(xiàn),通過(guò)耦合一部分功放的信號(hào)來(lái)提取功放的非線(xiàn)性特性,再通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)將一個(gè)適合的失真信號(hào)加入到輸入端,這樣就很容易使這個(gè)器件適用于大多數(shù)功率放大器,在更寬的功率范圍內(nèi)對(duì)功放的線(xiàn)性指標(biāo)進(jìn)行改善,從而更好地改善線(xiàn)性指標(biāo)。

圖1 模擬預(yù)失真原理框圖

1.2 Doherty功放原理

Doherty功率放大器技術(shù)是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的William H Doherty在1936年提出的。其應(yīng)用于真空管中,目的是為低平均效率的傳統(tǒng)振幅調(diào)制提高效率。經(jīng)典的二級(jí)Doherty結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 經(jīng)典Doherty功放原理框圖

其中包括2個(gè)放大器:主(載波)放大器和輔助(峰值)放大器。2個(gè)放大器并行連接,主放大器串接一條λ/4的傳輸線(xiàn),起阻抗變換作用,輔助放大器前λ/4傳輸線(xiàn)用于補(bǔ)償由主放大器輸出的λ/4的傳輸線(xiàn)引起的相移。

主放大器偏置在B類(lèi)模式,而輔助放大器偏置在C類(lèi)模式。Doherty功率放大器結(jié)構(gòu)的基本工作原理可在低、中、峰值輸出功率區(qū)域加以區(qū)分。低功率狀態(tài)時(shí),輸入信號(hào)比較小,輔助放大器截止,只有主功放處于工作狀態(tài);到達(dá)中功率時(shí),主功放的輸出電壓達(dá)到峰值飽和點(diǎn)時(shí),理論上的效率可以達(dá)到78.15%。

如果此時(shí)將激勵(lì)加大,那么工作在C類(lèi)模式的輔助放大器開(kāi)始工作。由于輔助放大器工作后的牽引,主功放的負(fù)載減小,所以盡管載波放大器的輸出電壓飽和,輸出功率還會(huì)隨著負(fù)載的減小而持續(xù)增大。當(dāng)達(dá)到激勵(lì)的峰值時(shí),輔助放大器也達(dá)到了飽和點(diǎn)。單個(gè)B類(lèi)功放的最大效率出現(xiàn)在峰值處,而采用Doherty技術(shù)可以使主放大器在飽和輸出點(diǎn)處功率回退6 dB的情況下獲得和輸出飽和功率一樣高的效率。

2 功率放大器的設(shè)計(jì)

本文采用的是Freescale公司的 LDMOS晶體管,型號(hào)是PRF8S21120HS。該晶體管的典型增益為17.5 dB,1 dB壓縮點(diǎn)為50.8 dBm。設(shè)計(jì)的頻段為2 140～2 170 MHz,這段頻率目前為世界通用的移動(dòng)通信寬帶碼分多路訪(fǎng)問(wèn)(WCDMA)的范圍,衡量WCDMA功率放大器的線(xiàn)性指標(biāo)為鄰道抑制比(ACLR)。

2.1 模擬預(yù)失真設(shè)計(jì)

模擬預(yù)失真部分采用的是Scintera公司的SC1887預(yù)失真芯片,這款芯片可在 540～3 250 MHz范圍內(nèi)對(duì)小信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理。芯片主要由1個(gè)無(wú)失真信號(hào)輸入端、1個(gè)失真信號(hào)輸出端和1個(gè)功放輸出信號(hào)耦合端組成。此芯片要求無(wú)失真信號(hào)的輸入在4 dBm左右,而功率放大器的耦合輸出在-14 dBm左右,這樣可以使芯片輸出更好的失真信號(hào),從而最大化地改善線(xiàn)性指標(biāo)。通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)級(jí)的增益和功率放大器耦合信號(hào)的大小可以比較容易地實(shí)現(xiàn)以上要求。

由于模擬預(yù)失真器件串聯(lián)在射頻鏈路中,而在進(jìn)行預(yù)失真信號(hào)的處理時(shí)需要一定的時(shí)間,所以就不可避免地出現(xiàn)無(wú)失真的原始信號(hào)和模擬產(chǎn)生的失真信號(hào)在射頻鏈路上的疊加,這樣會(huì)嚴(yán)重影響預(yù)失真的效果。為了解決這個(gè)問(wèn)題,在無(wú)失真輸入信號(hào)和失真輸出信號(hào)之間加入1段延時(shí)線(xiàn),通過(guò)計(jì)算加入1段4 ns的延時(shí)線(xiàn),這樣就有效避免了2種信號(hào)的互相干擾。如圖3所示,通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn),在輸出相同功率的時(shí)候,使用此預(yù)失真方法可以改善功放線(xiàn)性10 dBc左右。

圖3 采用預(yù)失真技術(shù)功放前后線(xiàn)性對(duì)比圖

2.2 Doherty功放設(shè)計(jì)

功放設(shè)計(jì)通常采用的是負(fù)載牽引技術(shù),強(qiáng)調(diào)了負(fù)載阻抗對(duì)電路輸出功率和效率的影響,卻常常忽略了源阻抗對(duì)它的影響。本文在設(shè)計(jì)單管功率放大器時(shí),采用先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)軟件對(duì)該管的ADS模型進(jìn)行雙向牽引(源牽引、負(fù)載牽引)仿真,相對(duì)于傳統(tǒng)的負(fù)載牽引仿真,它能更好地提高功放的效率和增益。通過(guò)對(duì)源牽引和負(fù)載牽引仿真的值進(jìn)行反復(fù)迭代,最終得到一組最佳的輸入阻抗和輸出阻抗。通過(guò)運(yùn)用ADS軟件中的Smith圓圖匹配工具設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò),將輸入阻抗和輸出阻抗匹配到50 Ω。

單管放大器設(shè)計(jì)完后,由于Doherty放大器的主放大和輔助放大匹配電路相同(區(qū)別只在于柵極電壓不同),系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要對(duì)補(bǔ)償線(xiàn)設(shè)計(jì)。補(bǔ)償線(xiàn)的主要功能是在小信號(hào)時(shí)將輔助功放的小阻抗變換成大阻抗,對(duì)主功放實(shí)現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài)。通過(guò)仿真,最后發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償線(xiàn)的長(zhǎng)度為6 mm時(shí),效率、增益和線(xiàn)性度都能較好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。對(duì)Doherty功率放大器電路仿真優(yōu)化時(shí),漏極和柵極供電為主功放漏極28 V,柵極2.8 V;輔助功放漏極為 28 V,柵極1.4 V,主功放工作點(diǎn)電流為0.84 A。

圖4是PRF8S21120HS功率放大器在2 140 MHz時(shí)的增益曲線(xiàn),由于Doherty放大器中的峰值放大器為C類(lèi)工作狀態(tài),在小信號(hào)狀態(tài)下不工作,在大信號(hào)狀態(tài)下增益也相對(duì)AB類(lèi)小,因此Doherty放大器增益相比Freescale公司給出的晶體管增益典型值會(huì)有壓縮。由圖5可看出,Doherty放大器在1 dB壓縮點(diǎn)附近時(shí)的效率為55%,回退6 dB時(shí)的效率為41%,較傳統(tǒng)功放有20%的提升。

圖4 PRF8S21120HS輸出增益曲線(xiàn)

圖5 PRF8S21120HS輸出效率圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用Rogers4350射頻板作為基板,Freescale公司的MHVIC915NR2功放管作為推動(dòng)級(jí)功放,按照PRF8S21120HS典型電路搭建Doherty電路,并在MHVIC915NR2前加入SC1887芯片。

通過(guò)上述電路設(shè)計(jì)測(cè)試了功率放大器的線(xiàn)性與效率圖表,從圖6可以發(fā)現(xiàn)在模擬預(yù)失真與Doherty功放的共同作用下,輸出功率為44 dBm時(shí),功放效率達(dá)到38%,雖與仿真結(jié)果有些出入,但總體上結(jié)果較為吻合,能夠反映出設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

圖6 結(jié)合預(yù)失真與Doherty功放效率圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)原理分析、軟件仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,預(yù)失真技術(shù)和Doherty技術(shù)共同應(yīng)用能夠大幅提高功率放大器的輸出效率,改善線(xiàn)性指標(biāo)。隨著現(xiàn)代通信對(duì)功率放大器的線(xiàn)性和效率要求越來(lái)越高,這種多技術(shù)的融合運(yùn)用將成為未來(lái)功放發(fā)展的趨勢(shì)。

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