采用Doherty架构来改善RF功率放大器性能

Jawad H Qureshi,Walter Sneijers,Ampleon的John Gajadharsing研究了改善Doherty放大器性能的方法。

几十年来,Doherty架构一直在使用,以提高RF功率放大器(PA)的效率,现在它常用于高功率移动基站。但是,该体系结构确实存在缺陷,其中之一就是其带宽可能受到限制。最近对基本Doherty PA,DPA架构的修改已经克服了这一限制,使其对于广播电视发射机等应用更加有用。
改进的Doherty架构的效率和带宽的提高伴随着其使用的一系列后果。将无环路发射器与谐波反射滤波器集成在一起变得更加复杂,因为它是单端架构并且没有二次谐波陷阱。修改后的架构还需要一个Doherty功率合成器,设计用于PA设备的基本阻抗,由于所需的传输线路的尺寸,很难在所需的功率水平下工作。
大多数高功率宽带AB类功率放大器通过推挽拓扑结构解决了这些问题,但这对于超宽带DPA来说很难实现,因为它需要一个宽带平衡 - 不平衡变换器,电阻长度在20到30度之间。低至2Ω。克服这个问题的一种方法是将四分之一波传输线的功能与平衡 - 不平衡变换器结合起来。尽管由此产生的DPA的性能令人印象深刻,但由于难以制造出良好的宽带平衡 - 不平衡变压器,因此无法放大整个UHF频段。

一些解决方案

我们试图通过使用集成平衡 - 不平衡变换器和宽带Doherty组合器的奇模宽带Doherty结构来解决这一系列后果及其相关的权衡,从而提供必要的带宽和二次谐波信号抑制。我们的原型在大多数UHF广播频率范围(从470MHz到810MHz)提供超过40%的平均效率,平均输出功率为220W,峰值输出超过1.4kW。PA还兼容数字预失真技术。

设计奇模Doherty组合器

这是宽带组合器的简化原理图(图1)。
 奇模Doherty组合器的示意图
图1:奇模Doherty合并器的原理图(来源:Ampleon)
大多数电路采用宽边耦合传输线构建,输出端具有理想的宽带巴伦。宽边耦合线可以设计用于几乎任何阻抗,并且如果接地平面远离它们,则与衬底的厚度相比,提供非常高的共模阻抗。由于传输线导体之间的较高电容,宽边耦合线还提供比类似尺寸的微带传输线低得多的特征阻抗。
如果针对奇数(差分)和偶数(共同)模式条件单独进行评估,则可以简化电路分析。如果主晶体管对和峰值晶体管对的输入由差分信号驱动,则电路的奇模分析表示其对基本信号的响应。相反,偶模分析表示其对二次谐波信号的响应。

奇数模式分析

对于奇模分析,晶体管输入被差分激励,并且电路被分析为470MHz至810MHz的基频。在这些条件下,所有宽边耦合传输线都像微带一样,电路变得像两个Doherty放大器,差分激励并使用平衡 - 不平衡转换器组合(见图2)。这样可以在后退和全功率条件下实现非常宽的性能。
奇模Doherty的等效电路
图2:奇模Doherty的等效电路(来源:Ampleon)

偶模式分析

为了分析二次谐波电流的电路,假设主晶体管对和峰值晶体管对的输入信号是同相的。然后分析该电路的900MHz至1900MHz的二次谐波频率。
在这些条件下,所有宽边耦合传输线与输出平衡 - 不平衡变换器一起呈现开路条件,并且电路简化为图3所示的电路及其相关的频率响应曲线。
奇模Doherty的偶模等效电路
图3:奇模Doherty的偶模等效电路及其对二次谐波频率的响应(来源:Ampleon)

Doherty放大器的输出巴伦

我们改进的Doherty电路的操作依赖于一个非常宽的平面平衡 - 不平衡变压器,它可以将电路的输出阻抗转换为50Ω。对于我们的1.4kW宽带UHF DPA原型,所需的分数带宽接近55%,所需的阻抗变换率大于20.为了满足这些规范,我们利用常用平面平衡 - 不平衡变换器的传输线特性来创建宽带多段阻抗变换器,如图4所示。
输出阻抗变压器和巴伦为Doherty放大器
图4:输出阻抗变换器和巴伦(来源:Ampleon)
该结构用作平衡 - 不平衡变换器和阻抗变换器,变换比为20,超过分数带宽的55%。结构的输入反射小于-25dB,损耗小于0.5dB。

建立原型

为了演示奇模Doherty架构,我们使用Ampleon的BLF888A / B LDMOS器件为UHF广播电视应用构建了一个原型。
使用宽边耦合传输线使布局复杂化,因此我们使用了多层PCB,如图5所示,其内层的电路带有阴影。PCB安装在带有气腔的基板上,为耦合线提供高共模阻抗。
奇模Doherty原型的布局
图5:奇模Doherty原型的布局(来源:Ampleon)

测量原型Doherty放大器

我们使用商用DVB-T激励器测量了原型的性能,结果如图6所示。
 Doherty放大器效率
图6:220W输出功率下的测量平均效率,增益和输出PAR(来源:Ampleon)
DPA的输入信号是DVB-T信号,峰均比(PAR)为9.5dB。测量在220W的输出功率下进行,因此输出PAR总是大于8dB。该原型在大多数乐队中效率超过40%。
使用相同的DVB-T激励器对DPA的输出进行预失真,表明该原型可以与预失真一起使用,以实现必要的相邻信道泄漏功率比,衡量放大器限制其输出的能力。预定的渠道。

结论

Doherty架构将至少两个功率放大器组合在一起,每个功率放大器在不同的功率水平下进行调谐,以便在复杂的调制方案(如DVB-T)所要求的各种瞬时功率水平下实现良好的效率。
这种架构可以非常有效,但这通常需要在设计中的其他地方管理复杂的权衡,例如在组合电路中或在将PA的输出耦合到负载的电路中。
在这种差分Doherty架构中,我们已经产生了良好的宽带效率,以及控制宽带谐波,否则会使设计更难以应用于不使用循环器的发射机。
这种方法可以应用于非对称宽带DPA和三路DPA。它也可以被认为是在差分模式下在同一基板的顶部和底部工作的两个超宽带DPA,从而在同一区域内封装两倍的功率,同时减小发射器的体积。

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