摘要：針對傳統(tǒng)Doherty放大器在提高效率后會惡化線性指標(biāo)的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析與討論。提出了一種基于二次諧波注入(SHI)的Doherty結(jié)構(gòu)。采用GaN功率管CGH21240的仿真模型，設(shè)計了一款Doherty功率放大器。仿真結(jié)果顯示，該放大器的效率在輸出大于50 dBm后可以達(dá)到47％以上，比平衡式放大器改善約15％；三階交調(diào)在輸出為53 dBm時仍低于-30 dBc；在輸出為50 dBm時，比未采用二次諧波注入改善約10 dBc,，該放大器結(jié)構(gòu)簡單，且實現(xiàn)了效率和線性的同時改善。
關(guān)鍵詞：Doherty；二次諧波注入；線性指標(biāo)；功率附加效率；功率放大器

0 引言
    射頻功率放大器廣泛用于各種無線發(fā)射設(shè)備中。效率和線性是功率放大器兩個最重要的指標(biāo)。設(shè)計線性高效率的功率放大器，是目前該領(lǐng)域研究的熱點和難點。Doherty放大器是目前提高功率放大器效率中最有效和最廣泛使用的技術(shù)。該放大器能夠顯著地提高功率回退后的效率。但是，傳統(tǒng)的Doherty功放在效率和線性上無法同時兼顧，需要與專用的線性化技術(shù)相結(jié)合，以獲得盡量大的效率提高和線性改善。但是這些結(jié)構(gòu)難免比較復(fù)雜，實現(xiàn)也比較困難。針對以上問題，提出了一種基于二次諧波注入的Doherty結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果驗證了該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性能。

1 Doherty功率放大器設(shè)計
    關(guān)于Doherty的基本工作原理，在文獻(xiàn)中有詳細(xì)描述。在具體實現(xiàn)Doherty結(jié)構(gòu)時，為了得到盡量大的效率改善，設(shè)計關(guān)鍵點主要有：
    (1)輔助功放的柵極偏置電壓。該電壓決定輔助功放的開啟門限，該開啟點也就是理論上效率第一次達(dá)到最大的點。
    (2)輸出端補(bǔ)償線。輔助功放在截止時，其輸出端應(yīng)該表現(xiàn)為開路，但實際由主功放通路看進(jìn)去的阻抗為一個低阻抗，這就導(dǎo)致主功放的輸出功率有一部分會泄漏到輔助功放的支路上，這會極大地惡化增益和效率。因此，需要在輔助功放的輸出匹配電路后加一段特征阻抗為50 Ω的補(bǔ)償線，該補(bǔ)償線的作用是將輔助功放在截止時的輸出阻抗變換到一個高阻抗，以阻止主功放的輸出功率泄漏到該支路上。
    本文設(shè)計的Doherty結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 二次諧波注入分析
    為了分析Doherty放大器的非線性，需要對功放管進(jìn)行建模，這里采用多項式模型來分析。假設(shè)功放的非線性模型為：
     
    式中：y(t)為輸出信號；u(t)為輸入信號；a為功放的非線性系數(shù)，該系數(shù)與柵極偏置電壓有很大關(guān)系。對于一般的有源器件，a2為正，a3在AB類偏置下為負(fù)，C類偏置下為正。
    如果輸入一個等幅雙音信號：
    
    式中：A為輸入幅度；ω1，ω2為雙音角頻率，ω1<ω2。模型階數(shù)取為三階，則：
    
    從式(2)可以看出，系數(shù)a3對基頻增益和三階交調(diào)起主要作用。通常情況下，AB類功放的a3為負(fù)，C類功放的a3為正，因此存在AB類增益壓縮和C類增益擴(kuò)展的現(xiàn)象。三階交調(diào)分量與a3和輸入幅度A有關(guān)。由于Doherty結(jié)構(gòu)中主功放和輔助功放分別工作在AB類和C類，因此二者的a3系數(shù)剛好相反。由此可知，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)钠秒妷汉洼斎牍β?，可以實現(xiàn)三階交調(diào)在輸出端相消，從而改善線性。但是，偏置的改變會影響輔助功放的開啟門限，而輔助功放的開啟點對整個效率的提升起主要作用。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，三階交調(diào)相消的偏置和最大效率改善時的偏置不一樣，這也就是說，僅僅靠改變偏置無法達(dá)到最優(yōu)的效果。因此，需要引入更多的可調(diào)節(jié)變量。為了解決上述問題，從文獻(xiàn)中得到啟示，引入了二次諧波注入法。但是改善線性的原理同文獻(xiàn)中所描述的有所不同。
    如果輸入端注入二次諧波A1cos(2ω1t+φ1)+A2cos(2ω2t+φ2)，則輸出端的上邊帶三階交調(diào)可表示為：
    
    由于第三項數(shù)值很小，在此忽略不計，只保留前兩項，則：
    
    對于主功放和輔助功放，輸入采用均等功分，柵極偏置確定時，a2，a3和A就固定了。這時，兩路的三階交調(diào)可表示為：
    
    由此可知，可以通過調(diào)節(jié)，使得輸出端的三階交調(diào)相消而得到改善。對于下邊帶可以做同樣的分析。這時，每一路的三階交調(diào)可能比較差，但是合成后會得到改善。這也是由Doherty獨特的結(jié)構(gòu)所決定的。

3 Doherty功率放大器實現(xiàn)與仿真結(jié)果
    基于前面的理論分析，采用cree公司的GaN功放管模型，設(shè)計了一款基于二次諧波注入的Doherty放大器。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    仿真時輸入功率掃描范圍為5～48 dBm。經(jīng)過優(yōu)化，主放大器柵極偏置電壓為-2．35 V，輔助放大器柵極偏置電壓為-5 V，漏極偏置電壓均為28 V。功分器采用均等功分，耦合器的耦合度為-30 dB。仿真結(jié)果如圖3所示。

    從仿真結(jié)果可以看出，Doherty放大器能夠顯著改善回退后的效率，在6 dB回退點，效率比平衡式放大改善約15％；在8 dB回退點，效率仍在40％以上。未采用二次諧波注入時，效率改善更多，但是線性很差。采用二次諧波注入后，AM-AM，AM-PM，三階和五階交調(diào)以及pi／4QPSK ACPR都得到了明顯改善。二次諧波注入后可以很好地改善線性，而且對效率的影響不大。

4 結(jié)論
    本文提出了一種基于二次諧波注入的Doherty放大器，實現(xiàn)了效率和線性的同時改善，克服了傳統(tǒng)Doherty功率放大器的不足。該放大器不需要復(fù)雜的線性化電路，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)也很容易，具有很好的應(yīng)用前景。