TD-SCDMA宽带非对称Doherty功放设计

设计与实现
54
责任编辑：左永君*******************
2011年第18期
【摘 要】文章介绍了Doherty功放的基本原理，设计并实现了1880MHz～2025MHz（TD-F+A频段）频段的Doherty功率放大器。

实测结果表明，以TD单载波为测试信号源，在最大输出功率回退9.0dB的情况下，其漏极效率达到35%以上，未加DPD时的ACPR小于-29.7dBm，完全满足要求。

【关键词】非对称Doherty TD-F+A ACPR 漏极效率
收稿日期：2011-05-10
张玉柱 张远见 华南理工大学电子与信息学院
TD-SCDMA宽带非对称1 引言
作为三大标准之一的TD-SCDMA的频谱资源虽然十分丰富，但是比较分散，且跨度大，这给它带来了有别于其他两种3G制式的难题。

运营商和设备制造商对如何有效利用这些频谱资源进行了探讨，“频段组合”的方式应运而生，即将分散的频段“捆绑”在一起，宽带功放由此也成为业界关注的焦点。

对于运营商和通信设备制造商关注的功放效率，国内外在LINC、EER、Doherty以及开关类功放方面进行了深入研究。

和其它技术相比较，Doherty技术具有结构简单、易于实现、成本低廉、对系统线性度影响较小并适合于峰均比较高的无线信号高效率传输等优点，因而成为当前无线通信功率放大器设计中最具商用前景的技术。

相对于对称Doherty功放，非对称Doherty功放在输出功率回退更多的情况下，依然保持很高的效率，成为业界研究的热点。

本文设计了峰值输出功率为310w的非对称两路Doherty功放，主功放为110w，辅功放为200w，采用TD-SCDMA单载波、峰均比为9.0dB的测试信号源，在输出功率回退9.0dB时，漏极效率达到35%以上，未加DPD的情况下，其ACPR小于-29.7dBm。

2 经典Doherty功放的基本原理
图1 经典Doherty功放基本结构
经典Doherty功放基本结构如图1所示，电路中包括3dB电桥、两端的四分之一波长微带线、主功放和辅功放。

主功放工作在B类或AB类，辅功放工作在C类。

主功放之后的四分之一波长微带线用于阻抗变换，辅功放之前的四分之一微带线用于补偿主功放输出端之后四分之一波长传输线引起的相位延迟，当两个功放相位相同时，二者叠加获得大输出功率。

其工作过程可分为三个阶段：
低功率工作状态：辅功放关闭，主功放等效于一个可控电流源。

主功放的输出阻抗为无穷大，负载经过四分之一波长微带线阻抗变换器的作用在主功放的末端呈
现出2倍负载阻抗，主功放末端阻抗的变化导致其在输出
设计与实现
55
责任编辑：左永君*******************
2011年第18期
电流达到最大值的一半时即进入饱和状态，此时功放的效率最高。

中功率工作状态：主功放进入饱和区后，辅功放开始工作。

此时，辅功放等效于一个可控电流源，而主功放等效于一个可控电压源。

根据有源负载牵引理论，辅功放的输出电流增加将会使从四分之一波长传输线阻抗变换器看去的负载阻抗增大。

根据四分之一波长传输线阻抗变换器理论，其阻抗*TL R Rin Rout =
，Rout 增
大，则Rin 减小，这使主功放的输出电压保持恒定同时其输出电流增加，且合成后的信号输出功率也随之增加。

此时，由于主功放的输出电压始终位于饱和区附近，所以功率附加效率基本保持最大值。

大功率工作状态：随着输入信号功率的继续增大，输出信号功率也不断增大，直到输入信号达到最大值时，两个放大器输出也同时达到最大，且从其输出端看去的阻抗均为四分之一波长传输线阻抗变换器的特征阻抗。

由于辅功放的负载调制作用，主功放保持最大功率附加效率。

在最大输入电压点，Doherty功放的效率达到最大。

由于辅功放在打开后，效率随输入信号功率的增加逐步上升，所以在两个效率最大点之间的效率有一定的下降。

假设载波放大器工作在C类，则其效率为：
2max max
ð()/[3(/)1]
2in in V V V V η=
− （1）其中，V in 是输入电压，V max 是最大输入电压。

3 实物测试结果
图2 整体测试框图
测试条件：信号源：T D -S C D M A 单载波；PAR=9.0dB；输出功率Pout=45.9dBm。

3.1 临近信道功率比（ACPR）测试
ACPR测试情况如图3～5所示。

可以看出，在未经
图3 低频点（1880MHz）在输出45.9dBm时的ACPR
图4 中心频点（1952MHz）在输出45.9dBm时的ACPR
图5 高频点（2025MHz）在输出45.9dBm时的ACPR
设计与实现
56
责任编辑：左永君******************* 2011年第18期
参考文献
[[1]David M Pozar. 张肇仪,周乐柱,吴德明,等译. 微波工程
（第三版）[M]. 北京: 电子工业出版社,2006.
[2]Cripps S C. RF Power Amplifiers for Wireless
Communications[M]. Norwood, MA, Artech House,
2006.
[3]Raab F H, Asbeck P, Cripps S C, et al. Power Amplifiers
and Transmitters for RF and Microwave[J]. IEEE Trans.
on MTT, 2002,50: 814-826.
[4]Doherty W H. A New High Efficiency Power Amplifier
for Modulated Waves[C]. Proc of the IRE,1936,24:
1163-1182.
[5]Raab F H. High Efficiency Amplification Techniques[J].
IEEE Circuit and Systems,1975,7(12): 3-11.
[6]Raab F H, Rupp D J. Class-S High-Efficiency
Amplitude Modulator[J]. RF Design,1994,17(5): 3-11.
[7]B u m m a n K i m,I l d u K i m,J u n g h w a n M o o n.
Advanced Doherty architecture[J]. IEEE microwave
magazine,2010,11(8): 72-86.
[8]B u m m a n K i m,J o o n g j i n N a m,D a e k y u Y u.
Doherty Linear Power Amplifiers for Mobile
Handset Applications[J]. IEEE Radio and Wireless
Symposium,2007(4): 310-304. ★
DPD对消的情况下，低频点和中心频点的ACPR均达到了-34.0dBm以下，高频点小于-29.5dBm而稍差一些，不过在工程中，此功放的线性度还是很不错的。

3.2 漏极效率测试
漏极效率测试结果如图6所示。

可以看出，此非对称Doherty功率放大器在输出功率为45.9dBm时，效率为35.1%，效果相当好。

图6 TD-F+A非对称Doherty实测效率
3.3 AM-AM与AM-PM测试
在测试AM-AM和AM-PM时，采用在单点频率的测试结果作为衡量功放线性度失真的指标之一。

在1880MHz处，AM-AM的波动约为1.009dB，AM-PM的波动约为5.2°；
在1952MHz处，AM-PM的波动约为1.013dB，AM-PM的波动约为10.6°；
在2025MHz处，AM-PM的波动约为1.042dB，AM-PM的波动约为7.2°。

也就是说，在1880MHz～2025MHz内，此功放的AM-AM曲线的波动小于1.1dB，而AM-PM曲线的波动小于11°，它们都较好地满足了设计指标，有利于进行数字预失真模块的设计。

4 结论
从实测结果可以看出，这款TD-F+A频段的非对称式宽带Doherty射频功放，未经DPD对消，无论是低频点、中心频点还是高频点，其线性度都是不错的；而且在输出功率回退9.0dB之后，其漏极效率依然达到较高的
35.1%。

这为开发宽带多载波功放（MCPA）奠定了良好基础，而且这款宽带TD-F+A频段宽带功放加上DPD模块之后已应用在运营商的宽带RRU上。

射频宽带化是无通信发展的重要方向之一，在同等规格下相比于窄带双频RRU解决方案，宽带RRU“器件数目可以减少40%，故障率下降60%以上，功耗降低20%以上，体积重量减少30%以上”。

宽带RRU和作为其核心部件的宽带Doherty功放将具有较好的市场前景。

【作者简介】
张玉柱：华南理工大学电子与信息学院电路与系统专业研究生，主要研究方向是射频电路设计。

张远见：华南理工大学电子与信息学院副教授，硕士生导师，中国电子学会高级会员。

长期从事微波技术及移动通信技术研究，有多项科研和专利成果，目前研究方向是软件无线电。