基于GaN HEMT Doherty宽带功率放大器

程知群，张 明，李江舟

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

基于GaN HEMT Doherty宽带功率放大器

程知群，张 明，李江舟

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

研究了宽带Doherty功率放大器设计的相关问题.为了拓宽Doherty功率放大器的带宽，提出了一种新型负载调制网络.采用CREE半导体公司的GaN HEMT功放管CGH40010F，应用新型负载调制网络设计了一款宽带Doherty功率放大器并进行了实物加工测试.主功放工作在AB类，直流偏置Vds=28 V,Vgs=-2.7 V；辅功放工作在C类，直流偏置Vds=28 V,Vgs=-5.5 V.测试结果显示，新型宽带Doherty功率放大器实物在1.5～2.3 GHz的800 MHz带宽内，饱和输出功率为42.66～44.39 dBm，饱和效率在52%～66%之间，输出功率回退6 dB处的效率在46%～50%之间，相对带宽为42.1%，且增益平坦，验证了设计方案的可行性.

Doherty功率放大器；宽带；负载调制网络；效率

0 引 言

随着无线通信技术的迅速发展，射频微波技术在人们的日常生活中越来越重要.为了在有限的频谱带宽内传输尽可能大的数据量，通信商通常采用非常复杂的调制方式，而这将导致信号的峰均比(Peak to Average Power Ratio， PAPR)变大，而使用传统的功率放大器如A类、AB类对非恒包络信号进行放大效率很低，尤其在大功率回退的时候效率更低[1-2].各种提高功率放大器效率的技术已在相关文献中报道[3-9]，在诸多技术中，Doherty功率放大器因结构简单，性能卓越且成本较低而成为当今无线通信所采用功率放大器的主流形式[10].一个典型的Doherty功率放大器包括主辅两个功率放大器，主辅功放输入端由功分器将信号一分为二分别输入，输出端通过一个负载调制网络将信号合路输出，根据输入信号的大小动态调制主辅功率放大器的有效负载阻抗，从而使Doherty功放在输出功率大幅度回退的情况下仍然具有很高的效率[11].但传统Doherty功率放大器也有一定的弊端，如负载调制网络中λ/4传输线限制了Doherty功放的工作带宽，面对频谱资源的日益短缺，能同时覆盖多个工作频段并兼容多种协议制式的无线宽带通信系统已经成为无线技术的发展重点.因此，宽带Doherty功率放大器已经成为近年来学术界和工业界的研究热点[12].

本文在分析传统Doherty功放的负载调制网络对带宽的影响基础上，提出了一种新型负载调制网络以提高Doherty功放带宽，实现了1.5～2.3 GHz的宽带Doherty功率放大器.

1 理论分析

1.1 传统Doherty功放的带宽限制因素

传统Doherty功放拓扑结构如图1所示.在低功率输入时，主功放工作，辅助功放截止.负载调制网络使得主功放的输出阻抗两倍于最优阻抗，使得主功放在电流仅有最大输出电流一半的时候电压已经达到了饱和，因此，效率达到最高.当输入功率继续增大时，辅助功放开启，使得主功放输出阻抗减小，电压饱和而电流增大，使得输出功率继续增大.主辅功放输出阻抗最终都减小至最优阻抗，主辅功放均达到饱和，Doherty功放效率和输出功率都达到最高.

Doherty功放中，负载调制网络中的两段λ/4传输线是限制带宽的主要因素，而起最主要限制因素的是主功放输出端的一段λ/4传输线.文献[13]给出了λ/4传输线的工作带宽表达式：

(1)

其中，Δf/f0为λ/4阻抗变换线的相对带宽；Γm为最大能接受的反射系数；Zin和Zout为λ/4传输线输入、输出两个端口的阻抗值；可见，为了增大相对带宽(即Δf/f0的值)，可通过减小Zin和Zout的比值来实现.

1.2 新型负载调制网络分析

图1中，传统Doherty主功放输出端的λ/4传输线特性阻抗为50 Ω，在低功率输入时，将主功放输出阻抗通过负载调制网络从25 Ω调制至100 Ω，阻抗变换比为4∶1，阻抗变换比较大，这极大地限制了Doherty功放的带宽.

图1 传统Doherty功放拓扑结构图

图2 新型宽带Doherty功放拓扑结构图

基于新型负载调制网络的Doherty功放电路原理框图如图2所示.可以看到，主功放输出端采用了特性阻抗为70.7 Ω的λ/4传输线.在低功率输入时，将主功放输出阻抗通过新型负载调制网络从50 Ω调制至100 Ω，阻抗变换比为2∶1，由式(1)可知，由于阻抗变换比的减小，新型负载调制网络将增大Doherty功放的带宽.同时该结构消去了整体Doherty合路输出端的35 Ωλ/4传输线，减小了负载调制网络的尺寸，使Doherty功放输出端更为紧凑.新型负载调制网络与传统负载调制网络带宽的仿真结果如图3所示，从图3中可以看到，新型负载调制网络在较宽的频带内保持了主功放输出端阻抗的恒定，因此使得Doherty功放在较宽的频带内可以维持稳定的性能.

2 新型宽带Doherty功放设计及测试结果

为了验证本文提出的新型负载调制网络的实用性，采用CREE公司的CGH40010F功放管，板材选用Rogers4350B(板材厚度H=10 mil，介电常数εr=3.66).应用新型负载调制网络设计了一款宽带Doherty功率放大器并进行了实物加工测试.主功放工作在AB类，直流偏置Vds=28 V,Vgs=-2.7 V；辅功放工作在C类，直流偏置Vds=28 V,Vgs=-5.5 V.

新型宽带Doherty功率放大器实物电路图如图4所示.为了更直观地观察宽带Doherty功放在整个频带内的特性，对宽带Doherty功放实物在1.4～2.4 GHz频带内使用单音连续波进行测试.图5、图6分别为新型宽带Doherty功放在1.4～2.4 GHz的带宽内饱和点和输出功率回退6 dB点的效率、输出功率和增益的测试数据.可以看出，所设计的新型宽带Doherty功率放大器在1.5～2.3 GHz的800 MHz带宽内，饱和输出功率为42.66～44.39 dBm，饱和效率在52%～66%之间，输出功率回退6 dB处的效率在46%～50%之间，相对带宽为42.1%，且增益平坦.

图3 新型方案与传统方案主功放输出阻抗对比

图4 新型宽带Doherty功率放大器实物图

图5 实测宽带Doherty功放饱和点性能

图6 实测宽带Doherty功放6 dB回退点性能

本文设计方法与近几年相关文献方法的性能比较如表1所示.

表1 本文设计与近几年国外发表论文的性能比较

从表1中可以看出，相比于文献[15-17],本文设计的新型宽带Doherty功放的带宽性能最好，相对带宽高达42.1%，且回退效率和饱和输出功率也相对较高.而相比于文献[14]，相对带宽相同，但此次设计的回退效率高于文献[14]；相比于目前性能较为优越的文献[2],本次设计的相对带宽略有逊色，但回退效率高于文献[2].

3 结束语

本文采用GaN HEMT晶体管完成了一款Doherty功率放大器的设计.根据版图加工实物并测试，测试结果显示，饱和输出功率回退6 dB后的效率在46%～50%之间，相对带宽高达42.1%，基于新型负载调制网络的宽带Doherty功率放大器较好地解决了传统Doherty功放带宽较窄的问题.

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Broadband Doherty Power Amplifier Based on GaN HEMT

CHENG Zhiqun, ZHANG Ming, LI Jiangzhou

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

This paper studies the issues related to design of broadband Doherty power amplifier. To extend bandwidth of Doherty power amplifier, a new load modulation network is proposed. In order to verify the actual feasibility of using CREE Semiconductor GaN HEMT power amplifier tube CGH40010F, application of new load modulation network design a broadband Doherty power amplifier and a physical test process. Main amplifier biased class AB, the DC bias ofVds=28 V,Vgs=-2.7 V; auxiliary amplifier biased class C, the DC bias ofVds=28 V,Vgs=-5.5 V. Test results show that the new broadband Doherty power amplifier saturation output power of 42.66-44.39 dBm, and saturation efficiency between 52% to 66% from 1.5 to 2.3 GHz. And from 46% to 50% drain efficiency is achieved at 6dB back-off power, accounting for 42.1% fractional bandwidth and gain flatness.

Doherty power amplifier; broadband; load modulation network; efficiency

10.13954/j.cnki.hdu.2017.02.001

2016-09-11

浙江省自然科学基金资助项目(LZ16F010001)；浙江省公益技术应用研究资助项目(2016C31070)；浙江省大学生新苗人才计划资助项目(2016R407065)

程知群(1964-)，男，安徽巢湖人，教授，射频电路与系统.

TN454

A

1001-9146(2017)02-0001-04