針對寬頻分碼多重存取(WCDMA)、全球行動通訊系統(UMTS)、長程演進計畫(LTE)等的現代無線通訊系統，射頻(RF)功率放大器(PA)的設計變得日益複雜。系統要求強制在功率補償(6dB、8dB等)下工作，以限制高峰均比訊號所造成的訊號壓縮，具有效率高的特點，並適用於涉及多頻帶應用的多個標準。Doherty放大器在這些功率補償等級上具有顯著的效率優勢。使用數位預失真(DPD)可滿足系統級發射器線性要求。
本文展示了1.6:1 Doherty放大器，包含一個2階IC功率放大器，該功率放大器可覆蓋小蜂窩應用的1.8G∼2.2GHz頻段。首先，詳細介紹載波(Carrier)和峰值(Peaking)的設計方法。然後，介紹在Class AB電路板上測量的主射頻效能。最後，展示Doherty放大器的效能。
Doherty功率放大器設計
Doherty由兩個功率放大器(Carrier和Peaking)組成，採用主動負載調變(Active Load Modulation)原理，亦即調變功率放大器看到的負載，以便針對預定的輸出功率電平範圍來最有效率地工作。根據Carrier與Peaking的比率，Doherty放大器分為對稱(Symmetrical)或非對稱(Asymmetrical)兩種放大器，可在6dB、8dB或更高輸出功率補償(OBO)下工作。
該射頻IC包含兩個不同的功率放大器路徑，比率為1.6:1，可實現效率和線性度之間的良好平衡，這意味著Peaking路徑提供的輸出功率是Carrier路徑的1.6倍，功能框圖如圖1所示。
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| 圖1 HiP布局 |
每個路徑都由兩個放大器級構成，晶片上包括輸入和級間(Interstage)匹配。使用額外隔離特性可最大程度地減少Carrier和Peaking之間的耦合效應，而兩個佇列(Lineup)不匹配。在設計過程中，特別關注訊號頻寬能力，以限制非線性。在有用的頻段(1.8G∼2.2GHz)前後增益頻寬目標是200MHz。Zopt和Zpeak模擬表現出卓越的增益平坦度，從1.5GHz到2.5GHz約為1dB漣波(Ripple)。
此外，在設計階段一直保持對視訊頻寬(VBW)的監測，以確保級間匹配網路不會成為該參數(VBW=200MHz)的主要限制。VBW對於部署到DPD系統中的設備來說至關重要。普遍的看法是，VBW必須為訊號頻寬的兩倍以上。這裡已仔細檢查過穩定性，因為該設備擁有超過30dB的增益，並且在單一封裝內實現。
進行效能測量 驗收設計成果
負載拉移資料、Class AB電路板評估及Doherty展示板(Demo Board)來說明量測的效能。
負載拉移資料
負載拉移(Load Pull)測量(從1,750M∼2,200MHz)已經展示了該射頻IC的寬頻能力。從1,750MHz到2,200MHz的平坦度表現非常好，Carrier和Peaking分別展示了36瓦(W)和58瓦的P3dB(最大功率負載)。終極效率在最大效率負載下提高了64%(圖2)。
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| 圖2 3dB壓縮下的負載拉移效能 |
Class AB電路板評估
根據LP資料(LP Data)，在1.8GHz和2.1GHz上設計的Class AB電路板。測量在標準的RF35印刷電路板上執行(相對電容率=3.5，基板厚度=20密耳，為獲得最佳功率效率和線性平衡而調整的外部輸出匹配)。圖3展示電路板在2.1GHz頻段進行優化時Zopt及Zpeak的小訊號增益與頻率。
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| 圖3 S21與頻率(Zopt & Zpeak) |
兩個應用電路板(1.8 GHz和2.1GHz)在Zopt和Zpeak條件下表現出良好的增益平坦度，從1.7GHz到2.3GHz範圍內S21>30dB(Idq=5mA/mm)。P3dB在Zopt和Zpeak匹配條件下分別為約30瓦和48瓦，2級功率附加效率大約為50%。
Doherty展示板
根據這些結果，兩個Doherty電路板已經實現優化。第一個電路板在1,805M∼1,880MHz頻段上，第二個在2,110M∼2,170MHz頻段上。圖4展示了1.8GHz Doherty精簡版(Compact Version)(70毫米×50毫米)，它採用Anaren非對稱輸入分岐器(Asymmetrical Input Splitter)和非對稱設計中所用的輸出對稱1:1 Doherty合成器(Combiner)。
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| 圖4 精簡版Doherty |
對不同的輸入分歧比(Input Splitter Ratio)進行研究(3dB、4dB和5dB)。對於3dB輸入分岐器，增益和線性度會更好，但效率會較低。對於5dB輸入分岐器，增益和線性度會降低，但效率會提高。
模擬顯示，5dB輸入分岐器的增益和效率達到很好的平衡。在這些條件下，Peaking的第一極在B Class中偏壓(Biase)，終極在C Class中偏壓。Carrier & Peaking佇列在40歐姆(Ω)上進行匹配，目的是在1.6:1 Doherty架構中使用對稱輸出合成器。Doherty放大器採用28伏特(V)汲極(Drain)電源進行偏壓，其測量效能如表1所示。輸入訊號是帶10dB峰均值功率比(PAR)的單載波WCDMA。
表1中顯示不同平均功率電平(從P3dB補償7dB、8dB和9dB)時的跨頻率效能。從1,805MHz到1,880MHz頻段，放大器在3dB壓縮下實現了超過49dBm(80瓦)的輸出功率，43.7%的2級PAE @ 8dB OBO(49%終極效率)，27dB的增益，以及超過-30dBc的未校正相鄰通道功率比(ACPR)。VBW採用雙音CW訊號進行測試。音訊分離在-30dBc相鄰通道功率(ACP)輸出功率下從1MHz到150MHz發生了變化，其中中心頻率設為1,842.5MHz，而IMD3共振大於150MHz。
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| 表1 Doherty放大器在1,805M～1,880MHz上的表現 |
該Doherty放大器在1,842.5MHz上及Pavg為41.2dBm情況下，與DPD系統線性化。圖5顯示ACP與帶有6.5dB PAR的雙載波WCDMA訊號的訊號頻寬。ACPR大於-58dBc直到60MHz iSBW。效能在75MHz iSBW上出現下降的情形，特別是由於DPD系統自身的原因。借助雙載波LTE訊號60MHz iSBW，透過優化Peaking偏壓條件(PAE=43% @ 1842.5MHz)，ACP接近-55dBc(圖6)。
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| 圖5 ACP與iSBW @ 1842.5MHz(2cWCDMA) |
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| 圖6 2cLTE訊號的ACP (60MHz/7.5dB PAR) |
從2,110MHz到2,170MHz頻段，該放大器在3dB壓縮時實現了49dBm(80瓦)的輸出功率，具有41%的2級PAE @ 8dB OBO(48%終極效率)、27.5dB的增益，和大於-30dBc的未校正ACPR。此Doherty放大器在2,140MHz且Pavg為41.2dBm的條件下與DPD系統線性化。圖7顯示ACP帶有6.5dB PAR的雙載波WCDMA訊號的訊號頻寬。ACPR大於-55dBc，直到75MHz SBW。借助雙載波LTE訊號，ACP接近-55dBc(圖8)。
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| 圖7 ACP與 iSBW @ 2140MHz(2cWCDMA) |
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| 圖8 2cLTE訊號的ACP(7.5dB PAR) |
本文展示採用最新Airfast技術設計的非對稱射頻IC。兩個路徑都顯示了良好的射頻效能平整度，適用於寬頻應用。採用該射頻IC的非對稱Doherty(1.6:1)在1.8GHz和2.1GHz頻段上進行優化。8dB OBO下的2級效率(PAE)對於1.8GHz和2.1GHz頻段分別大於43%和41%，並具有卓越的校正ACP。
(本文作者任職於飛思卡爾)