基于ADS平台不对称Doherty功率放大器的仿真设计

传统Doherty结构的功率放大器，载波放大器偏置在AB类，而峰值放大器一般偏置在C类，当输入的信号相同，峰值放大器的电流必然低于载波放大器的电流。在输出功率饱和时由于两个放大器的输出电压相等，峰值放大器的输出功率必然小于载波放大器的输出功率，这与理想的情况不同。根据有源负载牵引理论，当峰值放大器的电流没有达到理想值时，必然导致峰值放大器对载波放大器的牵引不足，使得载波放大器的输出阻抗在从高阻100Ω向50 Ω的低阻抗变化过程中，没有牵引到50 Ω，最终影响到Doherty功率放大器的性能。不对称Doherty功率放大器是在传统Doherty功率放大器的基础上做的改进，一般有不对称功率驱动和不同的功率放大器管这两种实现方法。和采用不同的功率放大器管这种实现方法相比，不对称功率驱动的方案在结构上要相对简单，容易实现。对于不对称Doherty功率放大器，在低输出功率状态，载波放大器偏置在AB类，峰值放大器截止，功率放大器的线性度主要取决于载波放大器。在高输出功率状态，不对称Doherty功率放大器的线性度可以通过调节两个功率放大器管的栅极偏置优化IMD3性能。因此在设计中，可以不断的调节载波放大器和峰值放大器的输人功率分配比和栅极偏置电压，使得设计的不对称功率放大器性能最佳。在下面的章节中，基于ADS仿真平台，选用飞思卡尔的MRF6S21140H功放管设计了一款工作在2.14 GHz频段WCDMA基站的不对称功率驱动的Doherty功率放大器。

2、不对称Doherty功率放大器的仿真设计

在仿真设计中，利用ADS平台可以很好的简化设计步骤，缩短研发周期，仿真设计中所用到的MRF6S21140H功放管模型是由飞思卡尔提供的一种半经验模型。仿真设计中通过对晶体管直流偏置和稳定性的仿真分析，确定了晶体管的静态工作点和稳定状态。利用ADS中的负载牵引和源牵引仿真得到晶体管一簇不同阻抗值的等功率圆和等效率圆，分析得到适用于不对称Doherty功率放大器的最佳阻抗值，同时在偏置电路中应用优化阻抗法较好地降低了电记忆效应。通过在匹配网络中综合考虑补偿网络的设计思想，设计补偿线，更有效的抑制了不对称Doherty功率放大器的功率泄露，提高了输出效率。在完成不对称Doherty功率放大器的各个模块的仿真设计后，调整输入端微带线使得载波放大器和峰值放大器两条支路输出信号的相位对齐，并通过原理图-版图联合仿真优化设计的不对称功率放大器的性能，提高了仿真的精确度，缩小仿真和实际应用的差距。同时对比在不同的输入端功分器的功率分配比例和栅极偏置电压的仿真结果，发现当载波放大器的栅极偏置电压为2.84V，峰值放大器的栅极偏置电压为0.85V，漏极偏置电压为28V时，输入端功分器的功率分配比为1：2.3的不对称Doherty功率放大器的性能最佳。图2为1：2.3不对称功率驱动的Doherty功率放大器与AB类平衡功率放大器的功率附加效率(PAE)比较曲线图。从图2可以看出，峰值饱和输出功率约为55.8dBm，因此不对称结构能改善由于峰值放大器对载波放大器牵引不足导致的失配问题，使得蜂值饱和输出功率较为理想。当从峰值输出功率回退11.8dB时，即输出功率为44dBm，仿真得到的1：2.3不对称功率驱动的Doherty功率放大器PAE为24.21%，AB类平衡功率放大器的PAE为15.63%。因此1：2.3不对称功率驱动的Doherty功率放大器比AB类平衡功率放大器的PAE提高了8.58%。

分析图3的不对称功率驱动的Doherty功率放大器与AB类平衡功率放大器的三阶互调失真(IMD3)比较曲线图可以发现，设计的1：2.3不对称功率驱动的Doherty功率放大器的线性度较为理想。当输出功率为43 dBm时，1：2.3不对称功率驱动的Doherty功率放大器的IMD3为-42.24 dBc，AB类平衡功率放大器的IMD3为-36.61 dBc，1：2.3不对称功率驱动的Doherty功率放大器在IMD3指标上改善了5.63dBc。当输出功率为44 dBm时，1：2.3不对称功率驱动的Doherty功率放大器的IMD3为-44.46dBc，AB类平衡功率放大器的IMD3为-37.48dBc.1：2.3不对称功率驱动的Doherty功率放大器在IMD3指标上改善了6.98dBc。

对比上述的仿真结果可以看出(对比结果如表1所示)，采用1：2.3不对称功率驱动的Doherty功事放大器能够很好的实现高线性和高效率的良好折中，设计出的功率放大器的仿真结果性能良好，和目前在实际中常采用的AB类平衡功率放大器相比在高线性度的要求下效率上有很大的提高。

3、结束语

为了适应现代无线通信系统中对功率放大器提出的高效率高线性度的要求，本文基于ADS仿真平台，采用飞恩卡尔的MRF6S21140H功放管设计出一款适合于2.14 GHz频