1.9GHz多级Doherty放大器设计与分析
随着现代无线通讯的快速发展，人们对于功率放大器的要求越来越苛刻。现代无线通信的传输速率高、发射信号的峰均比较大。为了保证线性度的要求，功率放大器的效率就会降低，引发能量的消耗较多。所以提高功率放大器的效率可以降低整机功耗、延长通讯系统电池供电的时间和提高器件的可靠性。目前，有多种技术可以用来提高效率，比如开关模式功率放大器、包络消除和恢复技术、包络跟踪技术、非线性元件实现线性放大技术、Doherty技术。其中，Doherty技术相对而言易于实现，是一种很好的选择。
本论文以多级的Doherty结构作为研究对象，以CDMA2000为应用背景，从效率和线性度因素上分析Doherty功率放大器，并且与其它的功率放大器作比较得出其明显的优势。并且在研究经典的Doherty基础上进行改进，主要讨论了两种方式，一种是多路的Doherty结构，另一种是是不对称结构的Doherty放大器。通过改进，可以使得Doherty放大器的效率得到提高。
关键词：功率放大器 Doherty技术 效率 负载牵引 阻抗匹配 F000231
With the rapid development of modern wireless communication,the requirement of power amplifier is more and more strict .Modern wireless communication rate is high,and the emission signal peaks are relatively large,in order to ensure the requirement of linearity,the efficiency of power amplifier will be reduced.At the same time, the more energy is also consumed. So improving the efficiency of the power amplifier can reduce the power consumption of the whole machine, and extend the time of communication system of battery power and improve the reliability of the device.At present, there are a variety of techniques can be used to improve efficiency.For example, switch mode power amplifier,the envelope elimination and recovery technology,envelope tracking technology,nonlinear components linear amplification technology,Doherty technology.etc.Among them, Doherty technology is relatively easy to implement, and is a good choice.
In this paper , multistage Doherty structure is the research object, and CDMA2000 is the application background.I will analyze the Doherty theoretically from efficiency and linearity,and compared to other power amplifiers.Based on the classic Doherty,I will also discuss two ways to improve the efficiency.One is Doherty amplifier of multiplex structure,the other is Doherty amplifier of asymmetric structure.
Key Words: power amplifier;Doherty technology;efficiency;pull-load;impedance matching
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摘 要 I
1概 述 1
1.1 CDMA2000的简介 1
1.2 典型功率放大器的介绍 1
1.3主要的工作安排 3
2经典的Doherty放大器原理 4
2.1 Doherty电路的基本构成 4
2.2 Doherty电路的工作原理 4
2.3功率放大器的关键技术指标 6
2.4有源负载牵引技术 6
2.5 Doherty功放效率分析与计算 8
2.5.1低功率状态分析 9
2.5.2中功率状态分析 9
2.5.3高功率状态分析 10
2.5.4综述归纳 10
3多级Doherty功率放大器的设计与仿真 12
3.1 仿真软件ADS的介绍 12
3.2 Wilkison功分器的设计 12
3.3晶体管的仿真结果与探讨 14
3.3.1直流扫描 14
3.3.2 偏置即稳定性分析 16
3.3.3负载牵引设计 17
3.3.4 匹配网络的设计 18
3.3.5 Doherty电路的优化方法 20
3.3.6整体Doherty放大器的仿真 21
4改进型的Doherty功率放大器介绍与设计 24
4.1 多路结构的Doherty功率放大器 24
4.2 非对称Doherty功放简介 27
结论 28
参考文献 29
致谢 30 查看完整请+Q:351916072获取
.1 Doherty电路的基本构成
Doherty 功率放大器由2 个功放管构成:上半支路的晶体管为主功放,下半支路的晶体管为辅助功放。主功放可以工作在三种状态下，分别为甲类、乙 类或者甲乙 类状态,辅助功放则工作在丙类状态。如图2.1所示，在主、辅功放前有一个用于功率分配的器件，称作功分器也叫做合路器，该器件最典型的微带线结构是Wilkinson功分器。由于非对称Doherty结构较难实现，所以一般采用功分比为1:1的Wilkinson功分器。由图2.1可见，在主、辅功放中间接一条λ/4微带线，其目的是当辅助功放工作时，降低主功放的视在阻抗，通过这种方法可以使得有源负载阻抗变小，从而提高了主功放的输出电流。因为主功放后λ／4传输线的作用，两条并行电路会产生相位差，所以需要在辅助功放前加λ／4传输线。由于本课题的工作频率为1.93GHz，因为频率较高，所以使用集总参数器件作为传输线会对电路产生不利影响，工程上常常使用微带线来实现传输线的功能。
多路结构的Doherty功率放大器
在实际的应用过程中常常需要功率放大器在较大范围内能保持较高效率，解决这个问题的一种办法就是将经典的两路Doherty功放变成多路（n路）的结构，即一个主功放和n-1个辅助功放。和两路结构一样，在输入功率很小时辅助功率放大器不工作；当输入功率逐渐变大时，辅助功率放大器会依次开始工作，直到第n-1个功放；当n个晶体管工作时，Doherty电路达到效率的最大值。本文研究一种两级四路的结构。如图4.1所示，为四路结构的框图，调整各路的微带线到合适相位设计出Doherty的合路网络。
图4.1 四路结构的框图
这里的辅助功放是同样的器件MRF6S19100，若使用不同的器件即非对称的Doherty结构则能够使效率和平坦度提高。
如图4.2，四路的Doherty仿真结果大致如绿线所示，位于效率最高处的转折点依次在回退0dB, 4dB, 9.5dB, 12dB处。
在经典的Doherty结构中两功放管的参数相同，两者仅仅是静态点的设置上存在差异。由于主功放的静态工作点较高，而辅助功放的静态工作点较低，所以主功放的输出功率大于辅助功放。随着通信技术的发展，工程师们需要信号峰均比高的功放，经典Doherty功放不能满足该要求。非对称的Doherty技术正是解决了该问题。
非对称的Doherty功率放大器主要有两种实现方式，一种是使用两个不同参数的功放管，另一种是使用不对称的功分器，即两功分器分配到的功率不相等，一般而言，非对称功率分配的方法相对简单。
下图为非对称的Doherty结构。
图4.6 非对称的Doherty结构图
结论
此次课题期间，本人通过阅读大量有关Doherty功率放大器的文献。在经典Doherty结构基础上研究了改进型的非对称、多路结构，并且设计出了一种二级四路的Doherty结构，同时也简单的介绍了非对称Doherty。通过射频仿真软件ADS2009对设计的Doherty进行了详细的仿真分析，尽管在仿真过程中出现结果不理想的情况，但在老师的指导下经过多次优化解决了这些问题。
通过本次毕业设计，我深刻地认识到只有将理论知识运用到实践上才算是对知识的真正掌握。我们不仅要理解掌握本科阶段所学习的知识，更需要在实践中不断的使用与创新，这样才能更好的掌握知识。同时，经过这次毕业设计的历练，本人在射频电路知识方面有了一定的提高，积累了一些经验，这对于以后的工作、学习大有裨益。此次最大的收获是学习了一种新的EDA软件，即射频微波电路仿真软件ADS，在射频领域该软件得到了广泛的使用，学习该软件也是为将来的学习、工作奠定了基础。
本次毕业设计也锻炼了我严谨的治学态度，良好的工作习惯，这对于以后的学习、工作也是十分重要的。 查看完整请+Q:351916072获取
本论文以多级的Doherty结构作为研究对象，以CDMA2000为应用背景，从效率和线性度因素上分析Doherty功率放大器，并且与其它的功率放大器作比较得出其明显的优势。并且在研究经典的Doherty基础上进行改进，主要讨论了两种方式，一种是多路的Doherty结构，另一种是是不对称结构的Doherty放大器。通过改进，可以使得Doherty放大器的效率得到提高。
关键词：功率放大器 Doherty技术 效率 负载牵引 阻抗匹配 F000231
With the rapid development of modern wireless communication,the requirement of power amplifier is more and more strict .Modern wireless communication rate is high,and the emission signal peaks are relatively large,in order to ensure the requirement of linearity,the efficiency of power amplifier will be reduced.At the same time, the more energy is also consumed. So improving the efficiency of the power amplifier can reduce the power consumption of the whole machine, and extend the time of communication system of battery power and improve the reliability of the device.At present, there are a variety of techniques can be used to improve efficiency.For example, switch mode power amplifier,the envelope elimination and recovery technology,envelope tracking technology,nonlinear components linear amplification technology,Doherty technology.etc.Among them, Doherty technology is relatively easy to implement, and is a good choice.
In this paper , multistage Doherty structure is the research object, and CDMA2000 is the application background.I will analyze the Doherty theoretically from efficiency and linearity,and compared to other power amplifiers.Based on the classic Doherty,I will also discuss two ways to improve the efficiency.One is Doherty amplifier of multiplex structure,the other is Doherty amplifier of asymmetric structure.
Key Words: power amplifier;Doherty technology;efficiency;pull-load;impedance matching
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摘 要 I
1概 述 1
1.1 CDMA2000的简介 1
1.2 典型功率放大器的介绍 1
1.3主要的工作安排 3
2经典的Doherty放大器原理 4
2.1 Doherty电路的基本构成 4
2.2 Doherty电路的工作原理 4
2.3功率放大器的关键技术指标 6
2.4有源负载牵引技术 6
2.5 Doherty功放效率分析与计算 8
2.5.1低功率状态分析 9
2.5.2中功率状态分析 9
2.5.3高功率状态分析 10
2.5.4综述归纳 10
3多级Doherty功率放大器的设计与仿真 12
3.1 仿真软件ADS的介绍 12
3.2 Wilkison功分器的设计 12
3.3晶体管的仿真结果与探讨 14
3.3.1直流扫描 14
3.3.2 偏置即稳定性分析 16
3.3.3负载牵引设计 17
3.3.4 匹配网络的设计 18
3.3.5 Doherty电路的优化方法 20
3.3.6整体Doherty放大器的仿真 21
4改进型的Doherty功率放大器介绍与设计 24
4.1 多路结构的Doherty功率放大器 24
4.2 非对称Doherty功放简介 27
结论 28
参考文献 29
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.1 Doherty电路的基本构成
Doherty 功率放大器由2 个功放管构成:上半支路的晶体管为主功放,下半支路的晶体管为辅助功放。主功放可以工作在三种状态下，分别为甲类、乙 类或者甲乙 类状态,辅助功放则工作在丙类状态。如图2.1所示，在主、辅功放前有一个用于功率分配的器件，称作功分器也叫做合路器，该器件最典型的微带线结构是Wilkinson功分器。由于非对称Doherty结构较难实现，所以一般采用功分比为1:1的Wilkinson功分器。由图2.1可见，在主、辅功放中间接一条λ/4微带线，其目的是当辅助功放工作时，降低主功放的视在阻抗，通过这种方法可以使得有源负载阻抗变小，从而提高了主功放的输出电流。因为主功放后λ／4传输线的作用，两条并行电路会产生相位差，所以需要在辅助功放前加λ／4传输线。由于本课题的工作频率为1.93GHz，因为频率较高，所以使用集总参数器件作为传输线会对电路产生不利影响，工程上常常使用微带线来实现传输线的功能。
多路结构的Doherty功率放大器
在实际的应用过程中常常需要功率放大器在较大范围内能保持较高效率，解决这个问题的一种办法就是将经典的两路Doherty功放变成多路（n路）的结构，即一个主功放和n-1个辅助功放。和两路结构一样，在输入功率很小时辅助功率放大器不工作；当输入功率逐渐变大时，辅助功率放大器会依次开始工作，直到第n-1个功放；当n个晶体管工作时，Doherty电路达到效率的最大值。本文研究一种两级四路的结构。如图4.1所示，为四路结构的框图，调整各路的微带线到合适相位设计出Doherty的合路网络。
图4.1 四路结构的框图
这里的辅助功放是同样的器件MRF6S19100，若使用不同的器件即非对称的Doherty结构则能够使效率和平坦度提高。
如图4.2，四路的Doherty仿真结果大致如绿线所示，位于效率最高处的转折点依次在回退0dB, 4dB, 9.5dB, 12dB处。
在经典的Doherty结构中两功放管的参数相同，两者仅仅是静态点的设置上存在差异。由于主功放的静态工作点较高，而辅助功放的静态工作点较低，所以主功放的输出功率大于辅助功放。随着通信技术的发展，工程师们需要信号峰均比高的功放，经典Doherty功放不能满足该要求。非对称的Doherty技术正是解决了该问题。
非对称的Doherty功率放大器主要有两种实现方式，一种是使用两个不同参数的功放管，另一种是使用不对称的功分器，即两功分器分配到的功率不相等，一般而言，非对称功率分配的方法相对简单。
下图为非对称的Doherty结构。
图4.6 非对称的Doherty结构图
结论
此次课题期间，本人通过阅读大量有关Doherty功率放大器的文献。在经典Doherty结构基础上研究了改进型的非对称、多路结构，并且设计出了一种二级四路的Doherty结构，同时也简单的介绍了非对称Doherty。通过射频仿真软件ADS2009对设计的Doherty进行了详细的仿真分析，尽管在仿真过程中出现结果不理想的情况，但在老师的指导下经过多次优化解决了这些问题。
通过本次毕业设计，我深刻地认识到只有将理论知识运用到实践上才算是对知识的真正掌握。我们不仅要理解掌握本科阶段所学习的知识，更需要在实践中不断的使用与创新，这样才能更好的掌握知识。同时，经过这次毕业设计的历练，本人在射频电路知识方面有了一定的提高，积累了一些经验，这对于以后的工作、学习大有裨益。此次最大的收获是学习了一种新的EDA软件，即射频微波电路仿真软件ADS，在射频领域该软件得到了广泛的使用，学习该软件也是为将来的学习、工作奠定了基础。
本次毕业设计也锻炼了我严谨的治学态度，良好的工作习惯，这对于以后的学习、工作也是十分重要的。 查看完整请+Q:351916072获取
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