为蜂窝基站设计更高效的宽带100W Doherty功放

在现代蜂窝网络中使用的不断增多的频带和调制方案使得在基站中使用的RF功率放大器在峰值和平均功率输出两种条件下，都能提供输出功率、多频带支持和效率的正确组合变得益发重要。

为了应对这种需求，业界开发了Doherty功率放大器(DPA)架构的各种变体，因为DPA兼具高效率、不太复杂的设计和低成本的优势。

Doherty架构是在1936年首次提出的，传统上被看作是种窄带解决方案。最近的文献已经提出具有更大带宽的DPA，但是其中许多既复杂(如需要输入驱动调节[2])功率输出又有限(于100W) ；或仅适用于1GHz(ub-GHz)下应用。

构建更好的Doherty功放

我们已经开发出DPA的一种变体，称为集成DPA(iDPA)架构，它工作在1.805至2.17GHz，在6dB回退(back-off)时达到47％的效率(即比峰值功率小6dB)。遗憾的是，这种设计的对称拓扑结构意味着当在更大回退水平下使用时，其效率快速降低。这是一个缺点，因为在4G网络中使用的复杂调制方案会生成具有高的峰值对平均功率比(PAPR)的信号，这意味着基站功率放大器通常需要工作在8到16dB的回退水平。

为解决该问题，我们开发出一款四路iDPA拓扑，它提供多频带功能，当工作在高水平回退时，也具有良好的效率。

用于Doherty放大器的离散功率晶体管的常规输出匹配方案通过借助将漏极到源极寄生电容CDS谐振一个并联电感来工作。 这种方法可行，但将放大器的相对带宽(对其宽带能力的一种测量)限制在最大10％。在对称iDPA拓扑中，使用适用于Doherty工作的等效传输线，以宽带方式吸收漏极至源极寄生电容CDS(参见图1)，这允许高达28％的相对带宽。

图1：左侧的常规DPA输出组合策略；右侧的集成DPA方法(来源：Ampleon)。

该拓扑很适用于硅LDMOS器件，因为其固有的工作电压、功率密度和寄生电容能够实现Doherty逆变器正常工作所需的90°相移和最佳负载阻抗。

然而，相对于6dB输出回退时的功率，这种对称方法的效率会以线性方式急剧下降。

新拓扑

已经提出了各种其它拓扑来解决这个问题，例如非对称双路或对称N路(N> 2)，其效率在图2中示出。

通常为基站功放选择不对称双路架构，因为它仅使用两个器件，且仍能实现优异的回退效率。一款2：1的非对称架构可在9.54dB回退时实现最佳效率，比对称架构好3.5dB以上。然而，这种拓扑也会降低放大器的带宽。

图2：各种DPA架构效率的比较(来源：Ampleon)。

Eff: 效率

Instantaneous efficiency: 瞬时效率

4-way Doherty: 4路Doherty

四路1：1：1：1拓扑具有使用体积相同器件的优点，并且在12dB回退时达到最佳效率。它也在iDPA方法中很好用。

为了使用iDPA架构创建宽带、四路DPA，我们使用两个iDPA放大器，每个都放在双路径封装中。 输出匹配网络(图3中的OM)设计为具有等效于180°相移的电长度，并且使用宽带阻抗逆变器，相对带宽显示从28％提升到50％。

图3：建议的4路iDPA架构(来源：Ampleon)。

Input: 输入

Hybrid splitter: 混合功分器

Dual path package: 双路封装

通过仿真，我们发现这种拓扑有两种工作模式，一种称为“线性”，另一种称为“最大效率”。虽然第二种听起来具有吸引力，但它具有使用数字预失真难以克服的非线性输出，尤其是对于在多载波GSM中使用的高线性调制方案。当Peak2和Peak3晶体管在相同的栅极电压下偏置时，发生线性操作，当在回退模式下工作时，产生两个效率峰值。

使用电热非线性模型的第二组模拟给出了从1.805到2.17GHz的LTE频带的效率响应与输出功率曲线，如图4中的窄线所示。该图还示出了使用四路iDPA拓扑的100W功率放大器当与工作在中心频率的标准对称iDPA(以粗体蓝色表示)相比时，其在各种回退下工作的效率可得到根本改善。

图4：与在1.99GHz工作的对称iDPA拓扑(粗蓝色)相比，工作在1.805 - 2.17GHz(各细线色)的四路iDPA的模拟效率(来源：Ampleon)。

实现新拓扑

新的iDPA拓扑通过在低成本工业标准PCB上的双路气穴塑料封装中安装两个iDPA晶片实现。外部尺寸为50×80mm，除连接器和螺钉外的有效面积小于10cm2(图5)。

图5：100W四路iDPA的制造夹具(来源：Ampleon)。

在1.805至2.17GHz的频率范围内，这种高度集成的四路Doherty放大器提供13.4dB的增益，从100W峰值功率输出的8dB输出回退时的平均效率为46%~48％，——接近20％的相对带宽。

这些结果接近单频带DPA的性能，并为下一代灵活和高效的蜂窝基站铺平了道路。

图6：使用20MHz宽的LTE信号测量的性能(来源：Ampleon)。

Gain: 增益

Efficiency: 效率