摘 要

功率放大器在整个通信系统中占有十分重要的地位，第五代移动通信系统对整个通信系统提出了更高的要求，研究其适用的功率放大器也成了亟待解决的问题之一。本文在分析基本功率放大器原理的基础上，详细研究了Doherty功放的原理和结构要求。使用ADS(Advanced Designed System)仿真软件为平台，首先进行单管功率放大器的设计和仿真测试，然后以单管功放为基础搭建Doherty功率放大器。最后成功的完成了单管功率放大器的原理图仿真和原理图版图仿真，在2090MHz-2150MHz频段内小信号仿真的S₁₁参数都小于-10dB，S₂₁参数都在17dB以上。对单管进行输出功率和增益测量，结果仿真出的增益很平坦而且增益在18dB左右，在1dB压缩点时的输出功率为44.8dBm，3dB压缩点时的输出功率为45.3dBm，饱和输出功率时的PAE为52.3%。最后搭建了整体的Doherty功放电路并进行了仿真测试，在2140MHz时最高的效率达到了56.4%，此时的输出功率为47.2dBm，具有较高的效率和输出功率。

关键词：S波段；功率放大器；Doherty功率放大器；高效率

Abstract

The power amplifier plays a very important role in the whole communication system. The fifth generation mobile communication system has put forward higher requirements for the entire communication system， and the research on its applicable power amplifier has also become one of the problems that need to be solved. Based on the analysis of the principle of the basic power amplifier， in this paper， the principle and structure requirements of the Doherty amplifier are studied in detail. ADS (Advanced Design System) simulation software is used to design the power amplifier in the paper. First， the design and simulation test of single-transistor power amplifier are carried out， and then the Doherty power amplifier is built on the basis of single-transistor power amplifier. Finally， the simulation of the schematic diagram and the schematic layout of the single-transistor power amplifier is successfully completed. In the 2090MHz-2150MHz band， the S₁₁ parameters of the small signal simulation are less than - 10dB， and the S₂₁ parameters are all above 17dB. The output power and gain of the single transistor are measured. The simulation results show that the gain is very flat and the gain is about 18 dB. The output power is 44.8dBm at 1 dB compression point， 45.3 dBm at 3 dB compression point and 52.3% at saturated output power. Finally， the overall Dhoerty power amplifier circuit is built and simulated. The highest efficiency is 56.4% at 2140 MHz， and the output power is 47.2 dBm， which has high efficiency and output power.

Key Words：S band；Power amplifie；DPA；high efficiency

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外现状 1

1.3 论文安排 3

1.4 本章小结 3

第2章 功率放大器原理介绍 4

2.1 功率放大器的分类 4

2.1.1 A类功率放大器 4

2.1.2 B类功率放大器 6

2.1.3 C类功率放大器 8

2.1.4 D类功率放大器 8

2.1.5 E类功率放大器 8

2.1.6 F类功率放大器 9

2.2 功率放大器的性能指标 9

2.2.1 效率和增益 9

2.2.2 稳定性 10

2.2.3 输出功率 10

2.2.4 相邻信道功率泄漏比 10

2.2.5 互调失真 11

2.3 本章小结 11

第3章 Doherty功率放大器的原理 12

3.1 有源负载牵引理论 12

3.2 Doherty功率放大器的原理 12

3.3 Doherty功率放大器的状态分析 13

3.3.1 低功率工作状态 15

3.3.2 中功率工作状态 15

3.3.3 高功率工作状态 15

3.4 本章小结 16

第4章 Doherty功率放大器的仿真和实物测试 17

4.1 Doherty功放设计图 17

4.2 器件选择 17

4.3 单管设计 18

4.3.1 静态工作点扫描 18

4.3.2 稳定性分析 19

4.3.3 负载牵引与源牵引 20

4.3.4 输入输出匹配 22

4.3.5 偏置电路设计 23

4.3.6 单管S参数仿真 24

4.3.7 版图原理图仿真 25

4.3.8 单管功放的谐波平衡仿真 26

4.4 辅助功放设计 27

4.5 功率分配器设计 28

4.6 整体Doherty放大器仿真 31

4.6.1 负载调制网络设计 31

4.6.2 补偿线 31

4.6.3 整体功放仿真 32

4.7 实物测试方法 33

4.8 本章小结 34

第5章 总结和展望 36

5.1 总结 36

5.2 展望 36

参考文献 37

致谢 38

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

从1978年到今天，历经40多年，移动通信已经从第一代(1G)发展到了第五代(5G)。第一代移动通信(1G)技术的代表是美国的先进移动电话服务(AMPS)和北欧移动通信系统(NMTS)，使用频分多址(FDMA)技术对语音进行模拟传输。第二代移动通信(2G)是全数字的通信系统，采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)进行数据传输，拥有更高的系统容量和安全性。第三代移动通信(3G)采用宽带码分多址(WCDMA)、CDMA-2000和时分同步码分多址(TD-SCDMA)标准，实现更快速率的数据传输。在第三代移动通信的基础上演进出了LTE系统，即第四代移动通信(4G)，采用正交频分多址(OFDMA)、单载波频分多址(SC-FDMA)和多入多出(MIMO)技术，实现信息的高速传输^[1]。然而，“人工智能”、“物联网”、“无人驾驶”等概念的提出对通信和网络提出更高的要求，更快的传输速度、更小的时延、更高的精确度。对于4G网络来说已经达不到向前发展的要求，于是第五代移动通信(5G)应运而生。从理论上来讲，5G的传输速度要达到4G的百倍，时延要降低到毫秒级别。因此对通信系统及其设备提出了更高的要求。

在通信系统中，信号的发射和接收是实现通信的基础。在发射端，发射机需要很高的功率才能把高频信号辐射出去。在接收端，由于传输距离、传输介质等因素的影响，通信信号会有很大的减弱，所以需要功率放大器来放大接收到的信号，之后才能进行信号处理。所以，功率放大器在通信行业中是不可或缺的。如今，移动通信技术飞速发展，正在向着更高速的方向发展，意味着对大量数据的处理速度更快，也就意味着会有更高的功耗，而功率放大器是其中最耗能的元器件之一^[2]。现代通信系统常用的正交频分多址(OFDMA)技术虽然达到了较高的频带效率，但是其中的调制信号有很高的峰均比(PAPR)^[3]，很容易产生失真。通信行业中通过在一定的范围内降低功率水平，来获得更好的线性，但是通常会使功率放大器的效率下降。如何提高功率放大器的效率也一直是通信行业中的研究热点之一。S波段是频率在2GHz-4GHz的电磁波，主要应用在中继、通信卫星上，无线路由、蓝牙通信也在这个范围之内，应用十分广泛。因此需要对适用于该波段的功率放大器的特性有更加深入的了解，以便在工程中更好地设计功率放大器。

1.2 国内外现状

当前常用的提高功率效率的技术主要有非线性元件实现线性放大技术(LINC)、包络消除和恢复技术(EER)、包络跟踪技术(ET)和Doherty技术等。其中Doherty技术实现简单，成本低，效果好，得到了广泛的商用。从最传统的Doherty功率放大器提出以来，国内外很多学者对其进行了研究和提升。

2013年，Luca Piazzon， Rocco Giofrè基于GaN材料对传统的Doherty功率放大器做了改进。使用分支线拓扑结构代替传统Doherty功放输入端的功分器和输出端的微带耦合线。可在1.67GHz-2.41GHz频段内6dB回退获得43%-59%的漏极效率，在饱和时可以达到53%-72%，输出41dBm^[4]。该方法克服了传统的Doherty功放的窄带特性，获得了较高的效率。

2016年，Shao Yong Zheng，Zhao Wu Liu， Yong Mei Pan等人通过对传统DPA中的功分器进行创新，设计出一种既可以实现功率分配又可以实现滤波功能的功分器，通过对谐波的控制让效率提升^[5]。该设计对谐波有很好的抑制作用，实现了提高10%的功率附加效率，在高输出功率范围内，邻道泄漏率(ACLR)改善了5.8dB多。

2016年，Cheol Ho Kim， Bonghyuk Park设计出了一种集成在3.3 × 2.6 mm²单片微波集成电路(MMIC)上的非对称性的Doherty功率放大器。在2.655GHz，该设计能够获得46.8%的额外附加效率(PAE)和在平均输出35.1dBm时30.9dB的增益^[6]。该设计主要降低了Doherty功放的尺寸，适合在微型基站等场合使用。

2018年，甘德成，何松柏通过合理控制载波功放的包络阻抗、谐波阻抗以及利用 Doherty 载波功放和峰值功放线性抵消原理，使得Doherty功率放大器同时满足高的效率和线性度。该设计的工作在 3.5 GHz 时Doherty功放在输入功率从10 dBm 增至24.5 dBm 时，IMD3和IMD5 始终低于-31 dBc。当输入功率为24.5 dBm时，PAE优于63%，增益高于 13.6 dB^[7]，实现了高效率和良好的线性。

2018年，王浩全，李志强为了克服传统Doherty功放的窄带特性，采用低通滤波器为原型的宽带匹配电路结构，再转换成微带电路，同时进行回退点和饱和点的阻抗匹配，实现双阻抗匹配。设计出了3.3GHz-3.9GHz宽带Doherty功率放大器，仿真实现最大输出功率48dBm，效率65%以上，功率回退6dB，输出功率42dBm，效率47%以上^[8]，拥有较宽的带宽。

传统的Doherty功率放大器虽然有比较高的效率，但是带宽比较窄，当前Doherty功率放大器技术已经比较成熟，学者们主要针对传统的Doherty功放电路进行改进，设计出了不对称型Doherty功放、宽带Doherty功放、集成在MMIC上的Doherty功放等等，都取得了不错的成果，更加完善了Doherty技术。如何降低Doherty功率放大器的尺寸、简化电路和进一步提高效率将是Doherty功率放大器的发展方向。本文将选用传统的Doherty功率放大器来作为主要电路，在S波段下进行主要参数的测量和分析。首先使用电子设计自动化系统(Advanced Designed System)工具进行仿真，然后制作实物，进行参数测量。

1.3 论文安排

正文内容主要分为下面几个部分：

第1章：绪论。介绍了选题的背景和意义，说明了移动通信的发展过程和功率放大器在通信系统中的作用。总结了国内外Doherty功率放大器的研究现状和本文的主要工作。

第2章：功率放大器原理介绍。从传统的功率放大器为切入点，详细介绍传统的功率放大器电路及其特点，另外详细介绍了在实际工程设计中功率放大器的常见性能指标。

第3章：Doherty功率放大器的原理。先介绍有源负载牵引理论，再介绍Doherty功放的原理并且分析Doherty功率放大器的工作状态。

第4章：Doherty功率放大器的仿真和实物测试。使用ADS软件首先设计出单管功放，然后以单管为基础设计出Doherty功率放大器并进行仿真测试，制作实物，最后进行实物测量。