摘要：本文介紹了無線射頻方案專家DXY鼎芯射頻實驗室開發(fā)的一款應用于4G-LTE通信系統(tǒng)中的寬帶高效率Doherty功率放大器的設計。該款功率放大器選用的是NXP（恩智浦）的BLF8G27LS-100P功放管，工作頻段為2500MHz--2690MHz,@28Vdc,100Watts CW輸出功率，實現(xiàn)飽和功率回退7.3dB（輸出43.5dBm）的情況下效率達到40%，飽和功率為50.8dBm。該DPA采用反向合路方式，峰值放大器后的1/4波長傳輸線能減少功率泄露，進一步提高功放效率。

一、引言

隨著通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，當下各國都在加速4G網(wǎng)絡發(fā)展的步伐。更高速，更優(yōu)質，更靈活的眾多優(yōu)點，讓4G網(wǎng)絡有著無可比擬的優(yōu)越性。而高數(shù)據(jù)傳輸率和多模傳輸對通信系統(tǒng)產生了極大影響，復雜的調制方式無疑對基站中的核心模塊功率放大器提出了更高的線性度要求，同時也要求更高的信道帶寬，PA的研究也成為當今的熱門研究領域。DXY鼎芯長期以來在微波射頻研究領域也作了大量投入，涵蓋無線通信(直放站、基站、RRU、WLAN)、WIFI、CMMB、ISM（工業(yè)、科學、醫(yī)療）等，公司的微波射頻實驗室已成為NXP和清華大學微電子研究所的應用工程實驗室，本文設計的反向Doherty功率放大器便是其中產品之一。

PA作為收發(fā)信機的核心組成部分，約占其系統(tǒng)能耗的1/3。傳統(tǒng)的基站功放是通過功率回退，單純犧牲功放效率來提升線性度。為了降低通信運營商的運營成本，順應綠色通信發(fā)展大趨勢，提高PA效率的研究已是迫在眉睫。而傳統(tǒng)的DPA在功率回退一定范圍內也能提供足夠高的效率，足見DPA的研究就顯得尤為重要。和傳統(tǒng)DPA相比，IDPA結構峰值放大器后的1/4波長傳輸線在補償相位的同時，還能減少功率泄露，進一步提高了功放效率。

二、IDPA的工作原理

傳統(tǒng)的DPA包括載波功率放大器和峰值功率放大器，載波功放工作于B類或AB類，峰值功放工作于C類。載波功放一直都在工作，而峰值功放在峰值時才開啟工作。當載波功放達到飽和態(tài)而峰值功放將要開啟工作時，效率達到B類功放的理論最大值78.5%。隨著輸入信號逐漸加大，峰值功放開啟工作，從而減小了載波功放的視在阻抗，相當于給載波功放串聯(lián)了一個負阻抗。此時載波功放一直處于飽和狀態(tài)，其輸出電壓恒定，隨著輸出阻抗的不斷減小，載波功放的輸出電流也不斷變大。當峰值功放達到飽和態(tài)時，其效率也達到最大。一個B類功放在峰值時才能達到效率最大值，而此Doherty功放只需在峰值的一半即能達到效率最大值。

在載波功放后面的1/4波長傳輸線起阻抗變換作用，同時也使兩路功放產生了90°相差，為了使兩路功放輸出同相，就需要在峰值功放前補充90°相移。DPA結構框圖如下

相比傳統(tǒng)的DPA結構，IDPA結構的1/4波長傳輸線補充在峰值功放后面，在起到相位補償?shù)耐瑫r，還能減小功率泄露，進一步提高了功放效率。IDPA結構如下圖。

對于DPA技術，在載波放大器達到飽和狀態(tài)時，峰值放大器才開啟工作，這樣才能保證功放在回退一定范圍內效率始終維持在一個較高的水平，不至于急劇下降。

在小信號工作階段，載波放大器正常工作，峰值放大器關斷未工作。

此時峰值放大器相當于開路狀態(tài)，阻抗Z2無窮大，避免了載波放大器的功率泄露。載波功放后的1/4波長傳輸線起阻抗變換作用，即Z0*Z0=Z1*Z3，Z4*Z4=R*Z3。當Z0=R=50歐且Z4=0.707R時，Z3=25歐，Z1=2Z0=100歐。

在大信號工作階段，峰值放大器開啟工作，可以看成是載波功放的有源負載。

假設載波功放和峰值功放是等功率輸入，則載波功放的輸出阻抗Z1由2R逐漸減小，從而能輸出更大的功率，使IDPA的效率始終維持在較高的水平，不至于在功率回退一定范圍內，效率出現(xiàn)急劇下降。由于兩路功放的電路網(wǎng)絡相同，從而會有相同的輸出功率，相同大小的電流輸出。此時Z1=Z2=Z3=Z0=R=50歐。

三、IDPA的設計

本設計選用的功放管是NXP的BLF8G27LS-100P，載波放大器工作于AB類，柵壓選為1.99V，峰值放大器工作于C類，柵壓選為0.67V。

針對不同飽和功率和效率設計輸入輸出匹配電路。漏極采用雙邊平衡饋電結構，電路由RF濾波電容、包絡頻率去耦電容以及1/4波長微帶線組成，此微帶線長度可根據(jù)功放性能進行調整，盡可能短路掉包絡頻率電壓。通過對偏置電路網(wǎng)絡的優(yōu)化，進一步降低記憶效應的影響，提高視頻帶寬VBW，以提高功放的寬帶特性。

功放管的最佳負載阻抗會隨著輸入功率的改變而變化，在具體的功率和效率要求下，就可以通過調整輸入輸出匹配網(wǎng)絡和偏置電路網(wǎng)絡，以使功率和效率達到良好的折中。本設計經過優(yōu)化后的實物電路如下圖

四、測試結果分析

測試2500MHz-2690MHz頻段范圍內2500MHz、2595MHz、2690MHz的AM-AM曲線，

2500MHz AM-AM

2595MHz AM-AM

2690MHz AM-AM從以上的AM-AM曲線可以看出，在輸入功率-30dBm—-16dBm范圍內，增益波動約為0.1dB，功放增益線性度較好。

用峰均比為10.3dB的WCDMA 單載波信號測試

上表所示為2500MHz-2690MHz頻段范圍內的增益，功率和效率，增益波動為0.5dB，整個頻段范圍內功率和效率的變化一致性較好，足見該款PA能滿足較寬的帶寬要求。

用帶寬為19.84MHz的WCDMA 四載波信號測試ACP

五、結論

針對高峰均比的4G-LTE寬帶信號，本文采用NXP（恩智浦）的BLF8G27LS-100P功放管設計了一款反向Doherty功率放大器，在保證功放效率維持在一個較高值的同時，也得到了一個較好的線性度，由此表明DXY鼎芯射頻實驗室設計的該款功率放大器能較好地應用到4G-LTE等各種通信系統(tǒng)中。