0 引言
射頻功率放大器廣泛用于各種無線發(fā)射設(shè)備中,。效率和線性是功率放大器兩個最重要的指標(biāo)。設(shè)計(jì)線性高效率的功率放大器,，是目前該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn),。Doherty放大器是目前提高功率放大器效率中最有效和最廣泛使用的技術(shù)。該放大器能夠顯著地提高功率回退后的效率,。但是,，傳統(tǒng)的Doherty功放在效率和線性上無法同時兼顧，需要與專用的線性化技術(shù)相結(jié)合,，以獲得盡量大的效率提高和線性改善,。但是這些結(jié)構(gòu)難免比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)也比較困難,。針對以上問題,，提出了一種基于二次諧波注入的Doherty結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性能,。
1 Doherty功率放大器設(shè)計(jì)
關(guān)于Doherty的基本工作原理,，在文獻(xiàn)中有詳細(xì)描述。在具體實(shí)現(xiàn)Doherty結(jié)構(gòu)時,，為了得到盡量大的效率改善,，設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)主要有：
(1)輔助功放的柵極偏置電壓。該電壓決定輔助功放的開啟門限,，該開啟點(diǎn)也就是理論上效率第一次達(dá)到最大的點(diǎn),。
(2)輸出端補(bǔ)償線。輔助功放在截止時,，其輸出端應(yīng)該表現(xiàn)為開路,，但實(shí)際由主功放通路看進(jìn)去的阻抗為一個低阻抗，這就導(dǎo)致主功放的輸出功率有一部分會泄漏到輔助功放的支路上,，這會極大地惡化增益和效率,。因此，需要在輔助功放的輸出匹配電路后加一段特征阻抗為50 Ω的補(bǔ)償線,，該補(bǔ)償線的作用是將輔助功放在截止時的輸出阻抗變換到一個高阻抗,，以阻止主功放的輸出功率泄漏到該支路上。
本文設(shè)計(jì)的Doherty結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。
2 二次諧波注入分析
為了分析Doherty放大器的非線性,，需要對功放管進(jìn)行建模，這里采用多項(xiàng)式模型來分析,。假設(shè)功放的非線性模型為：
式中：y(t)為輸出信號,；u(t)為輸入信號,；a為功放的非線性系數(shù)，該系數(shù)與柵極偏置電壓有很大關(guān)系,。對于一般的有源器件,，a2為正，a3在AB類偏置下為負(fù),，C類偏置下為正,。
如果輸入一個等幅雙音信號：
式中：A為輸入幅度；ω1,，ω2為雙音角頻率,，ω1<ω2。模型階數(shù)取為三階,，則：
從式(2)可以看出,，系數(shù)a3對基頻增益和三階交調(diào)起主要作用。通常情況下,，AB類功放的a3為負(fù),，C類功放的a3為正，因此存在AB類增益壓縮和C類增益擴(kuò)展的現(xiàn)象,。三階交調(diào)分量與a3和輸入幅度A有關(guān),。由于Doherty結(jié)構(gòu)中主功放和輔助功放分別工作在AB類和C類，因此二者的a3系數(shù)剛好相反,。由此可知,，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)钠秒妷汉洼斎牍β剩梢詫?shí)現(xiàn)三階交調(diào)在輸出端相消,，從而改善線性,。但是，偏置的改變會影響輔助功放的開啟門限,，而輔助功放的開啟點(diǎn)對整個效率的提升起主要作用,。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，三階交調(diào)相消的偏置和最大效率改善時的偏置不一樣,，這也就是說,，僅僅靠改變偏置無法達(dá)到最優(yōu)的效果。因此,，需要引入更多的可調(diào)節(jié)變量,。為了解決上述問題，從文獻(xiàn)中得到啟示，引入了二次諧波注入法。但是改善線性的原理同文獻(xiàn)中所描述的有所不同,。
如果輸入端注入二次諧波A1cos(2ω1t+φ1)+A2cos(2ω2t+φ2),，則輸出端的上邊帶三階交調(diào)可表示為：
由于第三項(xiàng)數(shù)值很小，在此忽略不計(jì),，只保留前兩項(xiàng),，則：
對于主功放和輔助功放,，輸入采用均等功分,，柵極偏置確定時,，a2，a3和A就固定了,。這時，兩路的三階交調(diào)可表示為：
由此可知,，可以通過調(diào)節(jié),，使得輸出端的三階交調(diào)相消而得到改善。對于下邊帶可以做同樣的分析,。這時,，每一路的三階交調(diào)可能比較差，但是合成后會得到改善,。這也是由Doherty獨(dú)特的結(jié)構(gòu)所決定的,。
3 Doherty功率放大器實(shí)現(xiàn)與仿真結(jié)果
基于前面的理論分析，采用cree公司的GaN功放管模型,，設(shè)計(jì)了一款基于二次諧波注入的Doherty放大器,。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
仿真時輸入功率掃描范圍為5～48 dBm,。經(jīng)過優(yōu)化,，主放大器柵極偏置電壓為-2．35 V，輔助放大器柵極偏置電壓為-5 V,，漏極偏置電壓均為28 V,。功分器采用均等功分，耦合器的耦合度為-30 dB,。仿真結(jié)果如圖3所示,。
從仿真結(jié)果可以看出，Doherty放大器能夠顯著改善回退后的效率,，在6 dB回退點(diǎn),，效率比平衡式放大改善約15％；在8 dB回退點(diǎn),，效率仍在40％以上,。未采用二次諧波注入時，效率改善更多,，但是線性很差,。采用二次諧波注入后，AM-AM，AM-PM,，三階和五階交調(diào)以及pi／4QPSK ACPR都得到了明顯改善,。二次諧波注入后可以很好地改善線性，而且對效率的影響不大,。
4 結(jié)論
本文提出了一種基于二次諧波注入的Doherty放大器,，實(shí)現(xiàn)了效率和線性的同時改善，克服了傳統(tǒng)Doherty功率放大器的不足,。該放大器不需要復(fù)雜的線性化電路,，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)也很容易,，具有很好的應(yīng)用前景,。