基于GaNHEMT的Doherty功率放大器設計

彭菊紅　鄭麗群　王旭光　楊維明

摘 要： 設計一款基于GaN HEMT的S波段Doherty功率放大器（DPA）。主放大器是采用GaN HEMT設計的AB類功放，輔助放大器是GaN HEMT 的C類功放。利用ADS對電路進行仿真，單音測試結果表明，DPA工作頻率在2.3～2.4 GHz，輸入功率為29 dBm時，工作增益不小于14 dB，輸出功率大于43 dBm，功率附加效率超過65%。分析了輔助放大器偏置電壓對DPA性能的影響，偏置電壓變小，DPA的效率和線性度較好。

關鍵詞： 功率放大器； GaN HEMT； Doherty功率放大器； AB類功放

中圖分類號： TN710?34； TN722 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0131?03

Abstract： A GaN HEMT based Doherty power amplifier （DPA） working in S?band is designed， whose main amplifier is the class AB amplifier designed with GaN HEMT， and auxiliary amplifier is the class C power amplifier designed with GaN HEMT. The circuit is simulated with ADS. The single tone test results show that， when the DPA works at 2.3～2.4 GHz and the input power is 29 dBm， the gain of DPA is not less than 14 dB， the output power is higher than 43 dBm， and the power added efficiency is higher than 65%. The effect of the auxiliary amplifier′s offset voltage on DPA performance is analyzed. It shows that the lower the offset voltage is， the better the DPA efficiency and linearity become.

Keywords： power amplifier； GaN HEMT； Doherty power amplifier； class AB power amplifier

0 引 言

射頻功率放大器是無線通信系統中非常重要的器件，同時也是發射系統中功率消耗最大的器件，對系統的性能有著至關重要的影響。隨著無線通信技術的發展，對于射頻功率放大器的研究主要集中在放大器效率和線性度等方面。

Doherty功率放大器（DPA）具有線性度好、效率高等優點，成為功放領域國內外研究熱點[1?2]。氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）擁有高擊穿電壓、高功率密度和低寄生參數等優點，非常適合制作高溫、高頻和大功率器件，適用于新一代微波功率電路[3?4]。如果將氮化鎵（GaN）HEMT等高效率、高功率的射頻功率管應用于Doherty結構的功率放大器設計中，可望使射頻功率放大器性能獲得進一步提高。

本文設計了一款基于GaN HEMT的S波段Doherty功率放大器的電路，主放大器是GaN HEMT 的AB類功放，輔助放大器是GaN HEMT 的C類功放，并進行了優化處理，增加了微帶補償，改善了功放的效率。在ADS平臺上，對單音信號和雙音信號進行了仿真測試，同時還分析了輔助放大器的柵極電壓對電路性能的影響。

1 功率放大器設計

待設計的功率放大器主要性能指標要求如表1所示。

表1 功率放大器性能指標

根據設計要求，本文采用Doherty功放（DPA）結構進行設計。DPA 功放主要由功分器、載波功放（主放大器）和峰值功放（輔放大器）、[λ4]阻抗變換線以及信號合成部分組成，原理框圖如圖1所示。依據設計指標，本文擬采用CREE公司提供的型號為CGH40010的GaN HEMT功率管設計載波功放和峰值功放；功分器采用Wilkinson功率分配器；同時為改善功率放大器的效率，加入補償線進行優化。

1.1 基于GaN HEMT的放大器設計

本文DPA電路的主放大器采用AB類功放結構進行設計，輔助放大器采用C類功放結構進行設計[5]。通過ADS軟件對GaN功放管進行直流掃描，得到AB類靜態工作點為VDS=28 V時，VGS=-2.1 V；并進行負載牽引和源牽引的仿真，得到最佳負載阻抗。最終設計的電路如圖2所示。

通過ADS軟件對GaN功放管進行直流掃描，得到C類靜態工作點為VDS=28 V時，VGS=-2.8 V；通過對負載牽引和源牽引的仿真，得到最佳負載阻抗；并設計輸入輸出匹配電路，同時為減小傳輸線因寬窄不同所帶來的不連續性，還增加了MTaper元件和Mtee元件。最終設計的電路如圖3所示。

1.2 Wilkinson功分器設計

本文所設計的Wilkinson功分器中，加入了MRaper和Mtee元件，設計的電路如圖4所示。為了增加電路的連續性，對電路進行了S參數仿真，發現在2.3～2.5 GHz插入損耗S21波動很小，基本在-3.01 dB左右，回波損耗S11小于-29 dB，S23小于-30 dB，說明該功分器的隔離度良好。

1.3 Doherty功放電路優化設計

針對傳統的Doherty功率放大器，為了提高輔助功放輸出端的特性阻抗，使Doherty功放更加接近理想化狀態。本文在主、輔助功放兩條支路的輸出電路與合成部分間加入一段補償線進行優化，改善Doherty功放的效率。最后獲得Doherty功放的設計電路如圖5所示。主功率放大器設計工作在AB類，偏置電壓為-2.1 V；輔助功率放大器設計工作在C類，偏置電壓為-3.2 V。endprint

2 電路仿真結果與分析

2.1 單音信號仿真分析

對Doherty功放電路單音信號仿真，中心頻率為2.35 GHz，主、輔助功放的柵極電壓分別為-2.1 V和-3.2 V，漏極電壓為28 V，得到的仿真結果如圖6所示。由圖6仿真結果可以發現，當Pin≈20 dBm時，輔助功率放大器開始進入工作。當Pin=29 dBm時，PAE=66.747%；DPA功率附加效率的最大值為75.638%，效率較大。在輸入功率為29 dBm時，輸出功率大約為20 W。

2.2 雙音信號仿真分析

輸入雙音信號的頻率分別為2 351 MHz和2 349 MHz，進行輸入信號掃描，DPA三階交調仿真結果如圖7（a）、圖7（b）所示，分別為Doherty 功放和主攻放（AB類）的三階交調仿真結果圖，并將兩類放大器進行線性化對比。將兩個圖形進行對比觀察，DPA的三階交調仿真結果沒有主功放的仿真結果理想，這是因為隨著輸出功率緩慢增大，主功放達到飽和狀態，輔助功放開始進入工作狀態，并處于“深度”C類狀態，惡化了DPA的三階交調。可以適當地調節輔助放大器的柵壓電壓，使主放大器和輔助放大器三階交調產生的相位相互抵消，提高三階交調指標。

2.3 輔助功放的柵極電壓對電路性能影響

將主功放的柵極電壓固定為一個恒定值，然后適當的調節輔助功放的柵極電壓大小，改變柵極電壓會對DPA的PAE和增益有一定的影響，變化趨勢如圖8所示。從仿真數據中可以看出，當柵極電壓變小時，DPA的效率會變大，增益會變小；相反，當柵極電壓變大時，DPA的效率減小，增益將增大。當主功放的柵極電壓為恒定值，同樣適當的調節輔助功放的柵極電壓，觀察三階交調的變化情況。變化趨勢如圖9所示，從圖中可以看出，DPA的三階交調值在低功率工作狀態下的曲線較接近，但隨著柵極電壓越變越小，輔助功放逐漸進入強非線性區域，導致整個DPA的三階交調變大，即DPA的線性度變差。

3 結 論

本文采用GaN HEMT設計了Doherty功率放大器設計，利用ADS平臺仿真得出了Doherty功放的結果。結果表明設計的DPA工作頻率在2.3～2.4 GHz，工作增益不小于14 dB，輸出功率大于43 dBm，功率附加效率超過65%。采用Doherty方式使整個電路的效率較高，而且在一定的輸入功率范圍內效率會保持在一個高效率的狀態，但是增益會變差。因此可以采用在功率回退方式，回退6 dB左右時，效率依然保持在一個較高的程度時增益提高。同時，本文也分析了輔助放大器偏置電壓對DPA性能（效率、增益和線性度）的影響，當改變偏置電壓變小時，可以提高DPA的線性度，使得DPA保持效率和線性度都比較好的狀態。

參考文獻

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[6] 袁東明，劉波，孫輝.基于偏最小二乘法的功放識別與預失真設計[J].計算機仿真，2016，33（2）：239?243.endprint