高效率线性功率放大器设计
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Abstract: Because of the high PAR and rapid vary envelop of 3G signal, a new challenge is proposed for the design of power amplifier of base station. Combined with Doherty and polynomial base -band pre -distortion technology , a high -efficiency linear power amplifier is designed in this paper. As the results of simulation, the efficiency keeps above 38 . 4% when the output power is between P1dB and 6 dB back-off point. When input is CDMA2000 signal of 3 . 686 4 bit rate and 38 . 5 dBm, the ACPR of the output signal is about -45 dBc . Linear amplifier which maintain high efficiency over 6 dB rang of output power from P1dB has been obtained .
度 ， 提 高 放 大 器 的 P1dB 值 。 可 见 ， 当 要 综 合 考 虑 放 大 器
的 PAE 和 线 性 性 能 时 ， 放 大 器 的 栅 偏 不 宜 单 独 设 计 ， 而
要同时调整。
图 4 为 调 谐 放 大 器 的 栅 偏 得 到 的 P1dB 性 能 。 分 析
可得出，对于任何一个确定的载放栅偏，峰放栅压从大
《电子技术应用》 2010 年第 1 期
通信与网络 Communication and Network
向 较 小 值 调 整 时 ，P1dB 会 先 下 降 再 升 高 再 下 降 ， 若 再 考 虑 到 PAE 性 能 ， 则 载 放 与 峰 放 的 栅 压 要 不 断 地 同 时 调 谐 与 优 化 。 最 后 设 定 载 放 为 3.87 V ， 峰 放 为 2.07 V 时 能 在 P1 dB 区 以 内 得 到 高 PAE 性 能 。 1.2.3 放大器性能仿真与分析
Doherty 放 大 器 的 P1dB 值 对 主 辅 放 大 器 的 栅 压 很 敏
感。 若单独设计主辅放大器的栅压时很难兼顾最终放大
器 的 线 性 性 能 。 比 如 按 此 方 法 设 计 的 栅 压 取 4.07 V 和
1.5 V 时 ，P1dB 为 46.245 dBm ， 高 效 率 区 却 在 输 出 功 率 为
式 中 ， ZL 是 Doherty 放 大 器 的 负 载 阻 抗 ， IC 和 IP 分 别 为 载
Baidu Nhomakorabea
放 和 峰 放 的 电 流 。 在 电 压 为 0 < vin< Vin,max/2 的 低 功 率 区 ， 峰
放关闭，此时只有载放工作，其负载阻抗为传统放大器
的 两 倍 。 因 此 在 输 入 电 压 为 Vin,max/2 时 ， 负 载 电 压 达 到 最
Zout 沿 顺 时 针 等 | Γ | 圆 旋 转 并 与 纯 阻 抗 轴 相 交 于 Ropt ， 最 后
Lopt 和 Ropt 可 由 下 面 方 程 得 到 ：
Γout =
Zout- 1 Zout+ 1
=
Γout
∠ Φout
(3)
Lopt =
Φout 2·β
= Φout ·λ 4·π
(4)
Ropt
中 图 分 类 号 ： TN722.7+5
文献标识码： A
Design of high-efficiency linear power amplifier
ZHAO Ming Hong, WANG Min Xi, CHEN Kai Ya, SHANG Yong
(Institute of Electromagnetics, Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031, China )
本 文 通 过 结 合 基 带 预 失 真 与 Doherty 技 术 ， 利 用 LDMOS 晶 体 管 设 计 了 一 款 线 性 高 效 功 率 放 大 器 。 仿 真 结 果 与 传 统 平 衡 AB 类 放 大 器 相 比 较 ，Doherty 结 构 在 输 出 为 P1 dB 以 及 回 退 6 dB 范 围 内 ，PAE 性 能 较 传 统 放 大 器 最 大 可 提 升 14% 。 通 过 记 忆 多 项 式 预 失 真 线 性 化 后 ， 放 大 器 在 原 P1dB 附 近 其 ACPR 性 能 接 近 3GPP 标 准 。 1 Doherty 功 率 放 大 器 设 计 1.1 Doherty 功 率 放 大 器 原 理 概 述
Doherty 技 术 与 基 带 多 项 式 预 失 真 技 术 , 设 计 了 一 款 高 效 率 线 性 功 率 放 大 器 。 仿 真 分 析 得 到 ， 放 大 器 在
输 出 为 P1dB 到 回 退 6 dB 的 范 围 内 ， 效 率 超 过 38.4% 。 使 用 码 率 为 3.686 4 Mcps 的 CDMA2000 信 号 源
W .H .Doherty 于 1936 年 提 出 Doherty 放 大 器 结 构 [1], 如 图 1 所示，主要结构由一个载放、一个峰放和一个阻抗 转 换 网 络 组 成 。 Doherty 结 构 能 够 显 著 提 高 放 大 器 的 效
《电子技术应用》 2010 年第 1 期
载波放大器
48.3 dBm ~53.2 dBm 的 区 域 ， 若 考 虑 线 性 性 能 ， 此 时 放 大
器没有高效率区。
大 功 率 LDMOS 管 的 IM3 系 数 会 在 一 定 条 件 下 呈 现
正 值[5],可 适 当 调 整 两 放 大 器 的 栅 偏 点 ，使 主 辅 功 放 在 某
个 输 入 功 率 范 围 内 IM3 的 相 位 相 差 180° ， 从 而 改 善 线 性
Key words: Doherty power amplifier; efficiency ; linearity ; pre -distortion
非 恒 包 络 及 多 载 波 调 制 技 术 的 广 泛 应 用 ， 使 得 RF 信号呈现出很高的峰均比和快速的包络变化，导致整个 系统对非线性非常敏感。 为了保证线性度，传统放大器 必须工作在较大的输出功率回退点，这使得放大器效率 大 为 降 低 ， 增 加 了 3G 基 站 的 运 作 成 本 。 提 高 放 大 器 的 效率和线性度成为重要设计目标。
数、相位补偿线长度等关系的示意图。 为了求出补偿线
长 度 Lopt 和 添 加 补 偿 线 后 的 输 出 阻 抗 Ropt ， 须 求 出 峰 放 在
关 闭 状 态 下 的 输 出 阻 抗 Zout 。 相 位 补 偿 线 将 使 输 出 阻 抗
96 欢迎网上投稿 www.chinaaet.com
始 工 作 ， 从 式(1) 中 可 以 看 出 ， 此 时 载 放 的 负 载 电 阻 从
2Zopt 变 为 Zopt ， 负 载 电 压 基 本 保 持 为 饱 和 ， 效 率 保 持 为 最
大效率。 从式(2)中可以看出，此时峰放的负载从 ∞ 变为
Zopt ， 负 载 电 压 从 零 变 为 饱 和 ， 效 率 从 零 变 到 最 大 值 。 在
这个过程中，由于峰放的效率从小变大，所以总效率会
有 一 个 下 降 再 上 升 的 过 程 。 但 在 最 大 输 出 功 率 回 退 6 dB
的范围内，总效率会一直保持在较高的水平。
1.2 Doherty 放 大 器 电 路 实 现
MRF5S19100H 是 一 款 LDMOS 功 放 晶 体 管 ，Freescale
大值，效率亦达到载放饱和时的最大效率，输出功率为
载 放 所 允 许 的 最 大 输 出 功 率 的 一 半 ， 为 Doherty 放 大 器
最 大 输 出 功 率 的 1/4 ， 即 最 大 输 出 功 率 回 退 到 6 dB 处 。
在 电 压 为 Vin,max/2< vin< Vin,max 的 高 功 率 区 ， 此 时 峰 放 开
输入
λ/4 线
λ/4 线 峰值放大器
RL
图 1 Doherty 功 率 放 大 器 结 构
率 [2] 。 其 中 载 放 工 作 于 A 类 或 AB 类 并 经 一 阻 抗 转 换 网 络连接到输出负载，峰放工作于 C 类并与输出负载直接 相 连 。 Doherty 放 大 器 的 工 作 原 理 如 图 2 所 示 [3] 。
测 试 ， 在 输 入 功 率 为 38.5 dBm 时 ， 其 输 出 信 号 的 ACPR 达 到 -45 dBc 。 本 设 计 在 线 性 放 大 的 条 件 下 实 现
了 从 P1 dB 处 回 退 6 dB 范 围 的 高 效 率 放 大 器 。
关 键 词 : Doherty 功 率 放 大 器 ; 效 率 ; 线 性 度 ; 预 失 真
=
50·
1 1
+ -
Γout Γout
(5)
式中 β 为电长度，λ 是波长。 仿真分析得到，当峰放关闭
时 ， Zout 为 0.11 + j*0.459 ， 由 式 (3) 得 到 反 射 系 数 为 0.832 5 ∠ 130 . 5 ° 。 因 此 Lopt 为 0 . 18 λ ， Ropt 为 545 Ω 。 1.2.2 放大器栅压调谐
通信与网络 Communication and Network
高效率线性功率放大器设计
赵明洪, 王敏锡, 陈凯亚, 商 勇 （ 西 南 交 通 大 学 电 磁 所 , 四 川 成 都 610031）
摘 要 ： 3G 信 号 的 高 峰 均 比 和 快 速 的 包 络 变 化 为 基 站 功 率 放 大 器 的 设 计 提 出 了 新 的 挑 战 。 结 合
高 功 率 Doherty 放 大 器 中 ， 峰 放 的 相 位 补 偿 线 是 非
常 关 键 的 参 数[4]。 在 前 面 分 析 中 假 定 当 峰 放 关 闭 时,输 出
阻 抗 为 无 穷 大 。 实 际 上 当 放 大 器 输 入 电 压 处 于 0 < vin <
Vin,max/2 时 ， 峰 放 的 输 出 阻 抗 为 复 值 R + jX 。 这 样 ， 在 低 输
公司提供了该器件的模型。 在放大器的设计中，载放的
输出功率向峰值放大器泄露并且放大器的线性度是在
基 本 的 Doherty 架 构 基 础 上 ， 这 是 需 要 特 别 讨 论 的 问 题 。
射频电路设计部分，可以通过相位补偿线与栅偏调谐来
改 进 Doherty 放 大 器 的 性 能 。
1.2.1 放大器相位补偿线
入功率时，会有部分输出功率泄露到峰放，影响放大器
的 PAE 与 输 出 功 率 性 能 。 如 图 3 所 示 ， 若 在 峰 值 放 大 器
的匹配网络之后添加峰放相位补偿线，可使峰放的输出
阻抗为较大的实阻抗。
图 3 (b) 为 峰 放 在 smith 圆 图 上 的 输 出 阻 抗 、 反 射 系
图 2 中两电流源分别代表载放与峰放，假设放大器 的谐波部分都被短路，电路的性能由直流与基频部分决 定，载放、峰放尺寸相同，峰放在最大输入电压一半时打 开 。 Zc 和 Zp 分 别 是 载 放 和 峰 放 的 负 载 阻 抗 ， 则 两 放 大 器 的负载阻抗分别为：
95
通信与网络 Communication and Network
Zc=
ZT2/ ZL ZT2/ ZL( 1 + IP/ IC)
0 < vin< Vin, max/2 Vin, max/2 < vin< Vin, max
(1)
∞ ZP= ZT( 1 + IC/ IP)
0 < vin< Vin, max/2 Vin, max/2 < vin< Vin, max
(2)
度 ， 提 高 放 大 器 的 P1dB 值 。 可 见 ， 当 要 综 合 考 虑 放 大 器
的 PAE 和 线 性 性 能 时 ， 放 大 器 的 栅 偏 不 宜 单 独 设 计 ， 而
要同时调整。
图 4 为 调 谐 放 大 器 的 栅 偏 得 到 的 P1dB 性 能 。 分 析
可得出，对于任何一个确定的载放栅偏，峰放栅压从大
《电子技术应用》 2010 年第 1 期
通信与网络 Communication and Network
向 较 小 值 调 整 时 ，P1dB 会 先 下 降 再 升 高 再 下 降 ， 若 再 考 虑 到 PAE 性 能 ， 则 载 放 与 峰 放 的 栅 压 要 不 断 地 同 时 调 谐 与 优 化 。 最 后 设 定 载 放 为 3.87 V ， 峰 放 为 2.07 V 时 能 在 P1 dB 区 以 内 得 到 高 PAE 性 能 。 1.2.3 放大器性能仿真与分析
Doherty 放 大 器 的 P1dB 值 对 主 辅 放 大 器 的 栅 压 很 敏
感。 若单独设计主辅放大器的栅压时很难兼顾最终放大
器 的 线 性 性 能 。 比 如 按 此 方 法 设 计 的 栅 压 取 4.07 V 和
1.5 V 时 ，P1dB 为 46.245 dBm ， 高 效 率 区 却 在 输 出 功 率 为
式 中 ， ZL 是 Doherty 放 大 器 的 负 载 阻 抗 ， IC 和 IP 分 别 为 载
Baidu Nhomakorabea
放 和 峰 放 的 电 流 。 在 电 压 为 0 < vin< Vin,max/2 的 低 功 率 区 ， 峰
放关闭，此时只有载放工作，其负载阻抗为传统放大器
的 两 倍 。 因 此 在 输 入 电 压 为 Vin,max/2 时 ， 负 载 电 压 达 到 最
Zout 沿 顺 时 针 等 | Γ | 圆 旋 转 并 与 纯 阻 抗 轴 相 交 于 Ropt ， 最 后
Lopt 和 Ropt 可 由 下 面 方 程 得 到 ：
Γout =
Zout- 1 Zout+ 1
=
Γout
∠ Φout
(3)
Lopt =
Φout 2·β
= Φout ·λ 4·π
(4)
Ropt
中 图 分 类 号 ： TN722.7+5
文献标识码： A
Design of high-efficiency linear power amplifier
ZHAO Ming Hong, WANG Min Xi, CHEN Kai Ya, SHANG Yong
(Institute of Electromagnetics, Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031, China )
本 文 通 过 结 合 基 带 预 失 真 与 Doherty 技 术 ， 利 用 LDMOS 晶 体 管 设 计 了 一 款 线 性 高 效 功 率 放 大 器 。 仿 真 结 果 与 传 统 平 衡 AB 类 放 大 器 相 比 较 ，Doherty 结 构 在 输 出 为 P1 dB 以 及 回 退 6 dB 范 围 内 ，PAE 性 能 较 传 统 放 大 器 最 大 可 提 升 14% 。 通 过 记 忆 多 项 式 预 失 真 线 性 化 后 ， 放 大 器 在 原 P1dB 附 近 其 ACPR 性 能 接 近 3GPP 标 准 。 1 Doherty 功 率 放 大 器 设 计 1.1 Doherty 功 率 放 大 器 原 理 概 述
Doherty 技 术 与 基 带 多 项 式 预 失 真 技 术 , 设 计 了 一 款 高 效 率 线 性 功 率 放 大 器 。 仿 真 分 析 得 到 ， 放 大 器 在
输 出 为 P1dB 到 回 退 6 dB 的 范 围 内 ， 效 率 超 过 38.4% 。 使 用 码 率 为 3.686 4 Mcps 的 CDMA2000 信 号 源
W .H .Doherty 于 1936 年 提 出 Doherty 放 大 器 结 构 [1], 如 图 1 所示，主要结构由一个载放、一个峰放和一个阻抗 转 换 网 络 组 成 。 Doherty 结 构 能 够 显 著 提 高 放 大 器 的 效
《电子技术应用》 2010 年第 1 期
载波放大器
48.3 dBm ~53.2 dBm 的 区 域 ， 若 考 虑 线 性 性 能 ， 此 时 放 大
器没有高效率区。
大 功 率 LDMOS 管 的 IM3 系 数 会 在 一 定 条 件 下 呈 现
正 值[5],可 适 当 调 整 两 放 大 器 的 栅 偏 点 ，使 主 辅 功 放 在 某
个 输 入 功 率 范 围 内 IM3 的 相 位 相 差 180° ， 从 而 改 善 线 性
Key words: Doherty power amplifier; efficiency ; linearity ; pre -distortion
非 恒 包 络 及 多 载 波 调 制 技 术 的 广 泛 应 用 ， 使 得 RF 信号呈现出很高的峰均比和快速的包络变化，导致整个 系统对非线性非常敏感。 为了保证线性度，传统放大器 必须工作在较大的输出功率回退点，这使得放大器效率 大 为 降 低 ， 增 加 了 3G 基 站 的 运 作 成 本 。 提 高 放 大 器 的 效率和线性度成为重要设计目标。
数、相位补偿线长度等关系的示意图。 为了求出补偿线
长 度 Lopt 和 添 加 补 偿 线 后 的 输 出 阻 抗 Ropt ， 须 求 出 峰 放 在
关 闭 状 态 下 的 输 出 阻 抗 Zout 。 相 位 补 偿 线 将 使 输 出 阻 抗
96 欢迎网上投稿 www.chinaaet.com
始 工 作 ， 从 式(1) 中 可 以 看 出 ， 此 时 载 放 的 负 载 电 阻 从
2Zopt 变 为 Zopt ， 负 载 电 压 基 本 保 持 为 饱 和 ， 效 率 保 持 为 最
大效率。 从式(2)中可以看出，此时峰放的负载从 ∞ 变为
Zopt ， 负 载 电 压 从 零 变 为 饱 和 ， 效 率 从 零 变 到 最 大 值 。 在
这个过程中，由于峰放的效率从小变大，所以总效率会
有 一 个 下 降 再 上 升 的 过 程 。 但 在 最 大 输 出 功 率 回 退 6 dB
的范围内，总效率会一直保持在较高的水平。
1.2 Doherty 放 大 器 电 路 实 现
MRF5S19100H 是 一 款 LDMOS 功 放 晶 体 管 ，Freescale
大值，效率亦达到载放饱和时的最大效率，输出功率为
载 放 所 允 许 的 最 大 输 出 功 率 的 一 半 ， 为 Doherty 放 大 器
最 大 输 出 功 率 的 1/4 ， 即 最 大 输 出 功 率 回 退 到 6 dB 处 。
在 电 压 为 Vin,max/2< vin< Vin,max 的 高 功 率 区 ， 此 时 峰 放 开
输入
λ/4 线
λ/4 线 峰值放大器
RL
图 1 Doherty 功 率 放 大 器 结 构
率 [2] 。 其 中 载 放 工 作 于 A 类 或 AB 类 并 经 一 阻 抗 转 换 网 络连接到输出负载，峰放工作于 C 类并与输出负载直接 相 连 。 Doherty 放 大 器 的 工 作 原 理 如 图 2 所 示 [3] 。
测 试 ， 在 输 入 功 率 为 38.5 dBm 时 ， 其 输 出 信 号 的 ACPR 达 到 -45 dBc 。 本 设 计 在 线 性 放 大 的 条 件 下 实 现
了 从 P1 dB 处 回 退 6 dB 范 围 的 高 效 率 放 大 器 。
关 键 词 : Doherty 功 率 放 大 器 ; 效 率 ; 线 性 度 ; 预 失 真
=
50·
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+ -
Γout Γout
(5)
式中 β 为电长度，λ 是波长。 仿真分析得到，当峰放关闭
时 ， Zout 为 0.11 + j*0.459 ， 由 式 (3) 得 到 反 射 系 数 为 0.832 5 ∠ 130 . 5 ° 。 因 此 Lopt 为 0 . 18 λ ， Ropt 为 545 Ω 。 1.2.2 放大器栅压调谐
通信与网络 Communication and Network
高效率线性功率放大器设计
赵明洪, 王敏锡, 陈凯亚, 商 勇 （ 西 南 交 通 大 学 电 磁 所 , 四 川 成 都 610031）
摘 要 ： 3G 信 号 的 高 峰 均 比 和 快 速 的 包 络 变 化 为 基 站 功 率 放 大 器 的 设 计 提 出 了 新 的 挑 战 。 结 合
高 功 率 Doherty 放 大 器 中 ， 峰 放 的 相 位 补 偿 线 是 非
常 关 键 的 参 数[4]。 在 前 面 分 析 中 假 定 当 峰 放 关 闭 时,输 出
阻 抗 为 无 穷 大 。 实 际 上 当 放 大 器 输 入 电 压 处 于 0 < vin <
Vin,max/2 时 ， 峰 放 的 输 出 阻 抗 为 复 值 R + jX 。 这 样 ， 在 低 输
公司提供了该器件的模型。 在放大器的设计中，载放的
输出功率向峰值放大器泄露并且放大器的线性度是在
基 本 的 Doherty 架 构 基 础 上 ， 这 是 需 要 特 别 讨 论 的 问 题 。
射频电路设计部分，可以通过相位补偿线与栅偏调谐来
改 进 Doherty 放 大 器 的 性 能 。
1.2.1 放大器相位补偿线
入功率时，会有部分输出功率泄露到峰放，影响放大器
的 PAE 与 输 出 功 率 性 能 。 如 图 3 所 示 ， 若 在 峰 值 放 大 器
的匹配网络之后添加峰放相位补偿线，可使峰放的输出
阻抗为较大的实阻抗。
图 3 (b) 为 峰 放 在 smith 圆 图 上 的 输 出 阻 抗 、 反 射 系
图 2 中两电流源分别代表载放与峰放，假设放大器 的谐波部分都被短路，电路的性能由直流与基频部分决 定，载放、峰放尺寸相同，峰放在最大输入电压一半时打 开 。 Zc 和 Zp 分 别 是 载 放 和 峰 放 的 负 载 阻 抗 ， 则 两 放 大 器 的负载阻抗分别为：
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通信与网络 Communication and Network
Zc=
ZT2/ ZL ZT2/ ZL( 1 + IP/ IC)
0 < vin< Vin, max/2 Vin, max/2 < vin< Vin, max
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∞ ZP= ZT( 1 + IC/ IP)
0 < vin< Vin, max/2 Vin, max/2 < vin< Vin, max
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