通信系统中高效doherty射频功放的设计文献综述

 2023-08-14 04:08

文献综述(或调研报告):

Doherty功率放大器在1936年由美国人W.H.Dherty[1]发明。但在当时,无线通信在民用中还不算普及,只在少数军用领域应用。随着移动通信在民用领域的普及,国外研究人员开始重视起无线通信系统的效率。Doherty放大器由于其结构简单,设计成本低,已经成为广泛应用的效率增强技术。但是经典的Doherty功放由于功率回退范围较低,带宽受限,已经逐渐不能适应高峰均比调制信号的要求。因此,研究新型结构的 Doherty功率放大器提高基站的效率成为了一个研究热点和难点。对于经典两路对称Doherty放大器的带宽拓展,前人已经做了很多研究。

《A Transformer-Less Load-Modulated (TLLM) Architecture for Efficient Wideband Power Amplifiers》[2]一文提出了两点匹配法和双面、反向双面匹配法。因为主放大器的输出匹配网络可以看成无损互逆双端口网络,网络的S参数矩阵可以由S11和S21的相位确定下来。进过推论可知如果匹配网络按照功率回退时的阻抗条件来设计,则峰值功率下的负载阻抗只能匹配到一个已经确定的圆所在的阻抗轨迹上的某一点,并且相位是设计峰值功率匹配时的唯一自由度。将该圆与功率圆中功率最高的圆的交点或者最近点作为最佳选择进行设计。、双侧匹配和反向双侧匹配则是为了在功率回退时让峰值放大器的射频功率泄露尽可能低。

《A Broadband High-Efficiency Doherty Power Amplifier With Integrated Compensating Reactance》[3]中作者将一条四分之一波长线整合到峰值放大器的输出端,可以产生等效的准短路短截线,来补偿主放大器回退时的阻抗变化,并且不会影响峰值功率时的Doherty负载调制,因为它在饱和时只相当于一条延迟线。同时提出了一种利用ABCD矩阵推导的两点匹配方法,让峰值放大器的输出匹配网络实现在回退时准短路,在饱和时达到理想最佳负载。

《Improved Doherty Amplifier Design with Minimum Phase Delay in Output Matching Network for Wideband Application》[4]中说明传统的输出匹配网络通常具有复杂的拓扑结构,会引入较大的相位延迟,并且这些相位延迟随频率的变化而变化,从而导致宽带操作的性能下降,因此提出了一种相位延迟小的紧凑型OMN。与上一篇文章提到的方法类似,以OMN的S21的相位为变量进行设计,选取最优的即可。

《Efficiency Enhancement of Doherty Amplifier Through Mitigation of the Knee Voltage Effect》[5]中指出,由于拐点电压的存在,峰值放大器开始工作的时候主放大器还没有饱和,使得Doherty的回退效率受到影响。所以主放大器的负载阻抗应该大于2Ropt,因为负载阻抗正好是2Ropt的话主放大器在回退时还不能完全饱和。

经典的Doherty放大器不仅需要提高带宽,随着峰均比的提高,也需要提高Doherty放大器的平均效率。经典对称两路Doherty放大器设计之初是为了提高在6dB回退的平均效率,不能满足更大的回退范围。为了满足更大回退范围的需求,人们提出了很多方法来提高在高峰均比信号下Doherty功率放大器的平均效率,包括非对称Doherty放大器。尽管如此,非对称两路Doherty放大器只是在特定的回退点上有着搞效率,在两个效率峰值之间的区域,平均效率会显著下降。因此,人们提出了多路Doherty架构。

《An Extended-Bandwidth Three-Way Doherty Power Amplifier》[6]中指出,传统多路Doherty放大器,比如说三路Doherty放大器,率的提高只有在主晶体管漏极电流的适当控制下才能实现,以在大功率范围内保持适当的负载调制,因此具有一定的复杂度,难以实现。文章通过分析三路Doherty放大器的结构,提取出控制方程来综合出输出组合网络的参数。作者将合路负载设置为一个独立的参数,并在此基础上计算其他参数,以此将在效率在带宽范围内最大化。

同样是基于对称设备的三路Doherty放大器带宽拓展的研究,《Bandwidth Enhancement of Three-Stage Doherty Power Amplifier Using Symmetric Devices》[7]也提出了一种方法。文中分析了三个四分之一波长变换器的阻抗、和回退范围、主路支路电流比的关系,以主放大器、第一峰值放大器前的四分之一波长线特性阻抗的比值,和第二峰值放大器与最佳负载阻抗之间的比值为变量,来观察效率在中心频率两边的变换,选取最佳的值。

《Improved Three-Stage Doherty Amplifier Design With Impedance Compensation in Load Combiner for Broadband Applications》[8]中针对三路Doherty,提出了一种结构,能在第一、第二峰值放大器启动前,让载波放大器利用它们的输出阻抗,以此来拓展带宽。将峰值支路的负载阻抗视为独立变量进行优化,以同时实现回退点和饱和点的宽带操作,是[2]中方案应用到三路Doherty上的结果。

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