基于GaNHEMT的Doherty功率放大器设计
彭菊红 郑丽群 王旭光 杨维明
摘 要： 设计一款基于GaN HEMT的S波段Doherty功率放大器（DPA）。主放大器是采用GaN HEMT设计的AB类功放，辅助放大器是GaN HEMT 的C类功放。利用ADS对电路进行仿真，单音测试结果表明，DPA工作频率在2.3～2.4 GHz，输入功率为29 dBm时，工作增益不小于14 dB，输出功率大于43 dBm，功率附加效率超过65%。分析了辅助放大器偏置电压对DPA性能的影响，偏置电压变小，DPA的效率和线性度较好。
关键词： 功率放大器； GaN HEMT； Doherty功率放大器； AB类功放
中图分类号： TN710?34； TN722 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0131?03
Abstract： A GaN HEMT based Doherty power amplifier （DPA） working in S?band is designed， whose main amplifier is the class AB amplifier designed with GaN HEMT， and auxiliary amplifier is the class C power amplifier designed with GaN HEMT. The circuit is simulated with ADS. The single tone test results show that， when the DPA works at 2.3～2.4 GHz and the input power is 29 dBm， the gain of DPA is not less than 14 dB， the output power is higher than 43 dBm， and the power added efficiency is higher than 65%. The effect of the auxiliary amplifier′s offset voltage on DPA performance is analyzed. It shows that the lower the offset voltage is， the better the DPA efficiency and linearity become.
Keywords： power amplifier； GaN HEMT； Doherty power amplifier； class AB power amplifier
0 引 言
射頻功率放大器是无线通信系统中非常重要的器件，同时也是发射系统中功率消耗最大的器件，对系统的性能有着至关重要的影响。随着无线通信技术的发展，对于射频功率放大器的研究主要集中在放大器效率和线性度等方面。
Doherty功率放大器（DPA）具有线性度好、效率高等优点，成为功放领域国内外研究热点[1?2]。氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）拥有高击穿电压、高功率密度和低寄生参数等优点，非常适合制作高温、高频和大功率器件，适用于新一代微波功率电路[3?4]。如果将氮化镓（GaN）HEMT等高效率、高功率的射频功率管应用于Doherty结构的功率放大器设计中，可望使射频功率放大器性能获得进一步提高。
本文设计了一款基于GaN HEMT的S波段Doherty功率放大器的电路，主放大器是GaN HEMT 的AB类功放，辅助放大器是GaN HEMT 的C类功放，并进行了优化处理，增加了微带补偿，改善了功放的效率。在ADS平台上，对单音信号和双音信号进行了仿真测试，同时还分析了辅助放大器的栅极电压对电路性能的影响。
1 功率放大器设计
待设计的功率放大器主要性能指标要求如表1所示。
表1 功率放大器性能指标
根据设计要求，本文采用Doherty功放（DPA）结构进行设计。DPA 功放主要由功分器、载波功放（主放大器）和峰值功放（辅放大器）、[λ4]阻抗变换线以及信号合成部分组成，原理框图如图1所示。依据设计指标，本文拟采用CREE公司提供的型号为CGH40010的GaN HEMT功率管设计载波功放和峰值功放；功分器采用Wilkinson功率分配器；同时为改善功率放大器的效率，加入补偿线进行优化。
1.1 基于GaN HEMT的放大器设计
本文DPA电路的主放大器采用AB类功放结构进行设计，辅助放大器采用C类功放结构进行设计[5]。通过ADS软件对GaN功放管进行直流扫描，得到AB类静态工作点为VDS=28 V时，VGS=-2.1 V；并进行负载牵引和源牵引的仿真，得到最佳负载阻抗。最终设计的电路如图2所示。
通过ADS软件对GaN功放管进行直流扫描，得到C类静态工作点为VDS=28 V时，VGS=-2.8 V；通过对负载牵引和源牵引的仿真，得到最佳负载阻抗；并设计输入输出匹配电路，同时为减小传输线因宽窄不同所带来的不连续性，还增加了MTaper元件和Mtee元件。最终设计的电路如图3所示。
1.2 Wilkinson功分器设计
本文所设计的Wilkinson功分器中，加入了MRaper和Mtee元件，设计的电路如图4所示。为了增加电路的连续性，对电路进行了S参数仿真，发现在2.3～2.5 GHz插入损耗S21波动很小，基本在-3.01 dB左右，回波损耗S11小于-29 dB，S23小于-30 dB，说明该功分器的隔离度良好。
1.3 Doherty功放电路优化设计
针对传统的Doherty功率放大器，为了提高辅助功放输出端的特性阻抗，使Doherty功放更加接近理想化状态。本文在主、辅助功放两条支路的输出电路与合成部分间加入一段补偿线进行优化，改善Doherty功放的效率。最后获得Doherty功放的设计电路如图5所示。主功率放大器设计工作在AB类，偏置电压为-2.1 V；辅助功率放大器设计工作在C类，偏置电压为-3.2 V。
2 电路仿真结果与分析
2.1 单音信号仿真分析
对Doherty功放电路单音信号仿真，中心频率为2.35 GHz，主、辅助功放的栅极电压分别为-2.1 V和-3.2 V，漏极电压为28 V，得到的仿真结果如图6所示。由图6仿真结果可以发现，当Pin≈20 dBm时，辅助功率放大器开始进入工作。当Pin=29 dBm时，PAE=66.747%；DPA功率附加效率的最大值为75.638%，效率较大。在输入功率为29 dBm时，输出功率大约为20 W。
2.2 双音信号仿真分析
输入双音信号的频率分别为2 351 MHz和2 349 MHz，进行输入信号扫描，DPA三阶交调仿真结果如图7（a）、图7（b）所示，分别为Doherty 功放和主攻放（AB类）的三阶交调仿真结果图，并将两类放大器进行线性化对比。将两个图形进行对比观察，DPA的三阶交调仿真结果没有主功放的仿真结果理想，这是因为随着输出功率缓慢增大，主功放达到饱和状态，辅助功放开始进入工作状态，并处于“深度”C类状态，恶化了DPA的三阶交调。可以适当地调节辅助放大器的栅压电压，使主放大器和辅助放大器三阶交调产生的相位相互抵消，提高三阶交调指标。
2.3 辅助功放的栅极电压对电路性能影响
将主功放的栅极电压固定为一个恒定值，然后适当的调节辅助功放的栅极电压大小，改变栅极电压会对DPA的PAE和增益有一定的影响，变化趋势如图8所示。从仿真数据中可以看出，当栅极电压变小时，DPA的效率会变大，增益会变小；相反，当栅极电压变大时，DPA的效率减小，增益将增大。当主功放的栅极电压为恒定值，同样适当的调节辅助功放的栅极电压，观察三阶交调的变化情况。变化趋势如图9所示，从图中可以看出，DPA的三阶交调值在低功率工作状态下的曲线较接近，但随着栅极电压越变越小，辅助功放逐渐进入强非线性区域，导致整个DPA的三阶交调变大，即DPA的线性度变差。
3 结 论
本文采用GaN HEMT设计了Doherty功率放大器设计，利用ADS平台仿真得出了Doherty功放的结果。结果表明设计的DPA工作频率在2.3～2.4 GHz，工作增益不小于14 dB，输出功率大于43 dBm，功率附加效率超过65%。采用Doherty方式使整个电路的效率较高，而且在一定的输入功率范围内效率会保持在一个高效率的状态，但是增益会变差。因此可以采用在功率回退方式，回退6 dB左右时，效率依然保持在一个较高的程度时增益提高。同时，本文也分析了辅助放大器偏置电压对DPA性能（效率、增益和线性度）的影响，当改变偏置电压变小时，可以提高DPA的线性度，使得DPA保持效率和线性度都比较好的状态。
参考文献
[1] AHN G， KIM M， PARK H. Design of a high?efficiency and high?power inverted Doherty amplifier [J]. IEEE transaction on microwave theory and techniques， 2007， 55（6）： 1105?1111.
[2] WU Y F， SAXLER A， MOORE M. 30?W/mm GaN HEMTs by field plate optimization [J]. IEEE electron device letters， 2004， 25 （3）： 117?119.
[3] BATHICH K， BOECK G. Wideband harmonically?tuned GaN Doherty power amplifier [J]. IEEE microwave theory and techniques， 2012， 32（4）： 1?3.
[4] 郭栋，李梁，窦智童，等.基于新一代半导体GaN的高效率功率放大器的研制[J].现代电子技术，2014，37（15）：83?85.
[5] 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2013.
[6] 袁東明，刘波，孙辉.基于偏最小二乘法的功放识别与预失真设计[J].计算机仿真，2016，33（2）：239?243.
摘 要： 设计一款基于GaN HEMT的S波段Doherty功率放大器（DPA）。主放大器是采用GaN HEMT设计的AB类功放，辅助放大器是GaN HEMT 的C类功放。利用ADS对电路进行仿真，单音测试结果表明，DPA工作频率在2.3～2.4 GHz，输入功率为29 dBm时，工作增益不小于14 dB，输出功率大于43 dBm，功率附加效率超过65%。分析了辅助放大器偏置电压对DPA性能的影响，偏置电压变小，DPA的效率和线性度较好。
关键词： 功率放大器； GaN HEMT； Doherty功率放大器； AB类功放
中图分类号： TN710?34； TN722 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0131?03
Abstract： A GaN HEMT based Doherty power amplifier （DPA） working in S?band is designed， whose main amplifier is the class AB amplifier designed with GaN HEMT， and auxiliary amplifier is the class C power amplifier designed with GaN HEMT. The circuit is simulated with ADS. The single tone test results show that， when the DPA works at 2.3～2.4 GHz and the input power is 29 dBm， the gain of DPA is not less than 14 dB， the output power is higher than 43 dBm， and the power added efficiency is higher than 65%. The effect of the auxiliary amplifier′s offset voltage on DPA performance is analyzed. It shows that the lower the offset voltage is， the better the DPA efficiency and linearity become.
Keywords： power amplifier； GaN HEMT； Doherty power amplifier； class AB power amplifier
0 引 言
射頻功率放大器是无线通信系统中非常重要的器件，同时也是发射系统中功率消耗最大的器件，对系统的性能有着至关重要的影响。随着无线通信技术的发展，对于射频功率放大器的研究主要集中在放大器效率和线性度等方面。
Doherty功率放大器（DPA）具有线性度好、效率高等优点，成为功放领域国内外研究热点[1?2]。氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）拥有高击穿电压、高功率密度和低寄生参数等优点，非常适合制作高温、高频和大功率器件，适用于新一代微波功率电路[3?4]。如果将氮化镓（GaN）HEMT等高效率、高功率的射频功率管应用于Doherty结构的功率放大器设计中，可望使射频功率放大器性能获得进一步提高。
本文设计了一款基于GaN HEMT的S波段Doherty功率放大器的电路，主放大器是GaN HEMT 的AB类功放，辅助放大器是GaN HEMT 的C类功放，并进行了优化处理，增加了微带补偿，改善了功放的效率。在ADS平台上，对单音信号和双音信号进行了仿真测试，同时还分析了辅助放大器的栅极电压对电路性能的影响。
1 功率放大器设计
待设计的功率放大器主要性能指标要求如表1所示。
表1 功率放大器性能指标
根据设计要求，本文采用Doherty功放（DPA）结构进行设计。DPA 功放主要由功分器、载波功放（主放大器）和峰值功放（辅放大器）、[λ4]阻抗变换线以及信号合成部分组成，原理框图如图1所示。依据设计指标，本文拟采用CREE公司提供的型号为CGH40010的GaN HEMT功率管设计载波功放和峰值功放；功分器采用Wilkinson功率分配器；同时为改善功率放大器的效率，加入补偿线进行优化。
1.1 基于GaN HEMT的放大器设计
本文DPA电路的主放大器采用AB类功放结构进行设计，辅助放大器采用C类功放结构进行设计[5]。通过ADS软件对GaN功放管进行直流扫描，得到AB类静态工作点为VDS=28 V时，VGS=-2.1 V；并进行负载牵引和源牵引的仿真，得到最佳负载阻抗。最终设计的电路如图2所示。
通过ADS软件对GaN功放管进行直流扫描，得到C类静态工作点为VDS=28 V时，VGS=-2.8 V；通过对负载牵引和源牵引的仿真，得到最佳负载阻抗；并设计输入输出匹配电路，同时为减小传输线因宽窄不同所带来的不连续性，还增加了MTaper元件和Mtee元件。最终设计的电路如图3所示。
1.2 Wilkinson功分器设计
本文所设计的Wilkinson功分器中，加入了MRaper和Mtee元件，设计的电路如图4所示。为了增加电路的连续性，对电路进行了S参数仿真，发现在2.3～2.5 GHz插入损耗S21波动很小，基本在-3.01 dB左右，回波损耗S11小于-29 dB，S23小于-30 dB，说明该功分器的隔离度良好。
1.3 Doherty功放电路优化设计
针对传统的Doherty功率放大器，为了提高辅助功放输出端的特性阻抗，使Doherty功放更加接近理想化状态。本文在主、辅助功放两条支路的输出电路与合成部分间加入一段补偿线进行优化，改善Doherty功放的效率。最后获得Doherty功放的设计电路如图5所示。主功率放大器设计工作在AB类，偏置电压为-2.1 V；辅助功率放大器设计工作在C类，偏置电压为-3.2 V。
2 电路仿真结果与分析
2.1 单音信号仿真分析
对Doherty功放电路单音信号仿真，中心频率为2.35 GHz，主、辅助功放的栅极电压分别为-2.1 V和-3.2 V，漏极电压为28 V，得到的仿真结果如图6所示。由图6仿真结果可以发现，当Pin≈20 dBm时，辅助功率放大器开始进入工作。当Pin=29 dBm时，PAE=66.747%；DPA功率附加效率的最大值为75.638%，效率较大。在输入功率为29 dBm时，输出功率大约为20 W。
2.2 双音信号仿真分析
输入双音信号的频率分别为2 351 MHz和2 349 MHz，进行输入信号扫描，DPA三阶交调仿真结果如图7（a）、图7（b）所示，分别为Doherty 功放和主攻放（AB类）的三阶交调仿真结果图，并将两类放大器进行线性化对比。将两个图形进行对比观察，DPA的三阶交调仿真结果没有主功放的仿真结果理想，这是因为随着输出功率缓慢增大，主功放达到饱和状态，辅助功放开始进入工作状态，并处于“深度”C类状态，恶化了DPA的三阶交调。可以适当地调节辅助放大器的栅压电压，使主放大器和辅助放大器三阶交调产生的相位相互抵消，提高三阶交调指标。
2.3 辅助功放的栅极电压对电路性能影响
将主功放的栅极电压固定为一个恒定值，然后适当的调节辅助功放的栅极电压大小，改变栅极电压会对DPA的PAE和增益有一定的影响，变化趋势如图8所示。从仿真数据中可以看出，当栅极电压变小时，DPA的效率会变大，增益会变小；相反，当栅极电压变大时，DPA的效率减小，增益将增大。当主功放的栅极电压为恒定值，同样适当的调节辅助功放的栅极电压，观察三阶交调的变化情况。变化趋势如图9所示，从图中可以看出，DPA的三阶交调值在低功率工作状态下的曲线较接近，但随着栅极电压越变越小，辅助功放逐渐进入强非线性区域，导致整个DPA的三阶交调变大，即DPA的线性度变差。
3 结 论
本文采用GaN HEMT设计了Doherty功率放大器设计，利用ADS平台仿真得出了Doherty功放的结果。结果表明设计的DPA工作频率在2.3～2.4 GHz，工作增益不小于14 dB，输出功率大于43 dBm，功率附加效率超过65%。采用Doherty方式使整个电路的效率较高，而且在一定的输入功率范围内效率会保持在一个高效率的状态，但是增益会变差。因此可以采用在功率回退方式，回退6 dB左右时，效率依然保持在一个较高的程度时增益提高。同时，本文也分析了辅助放大器偏置电压对DPA性能（效率、增益和线性度）的影响，当改变偏置电压变小时，可以提高DPA的线性度，使得DPA保持效率和线性度都比较好的状态。
参考文献
[1] AHN G， KIM M， PARK H. Design of a high?efficiency and high?power inverted Doherty amplifier [J]. IEEE transaction on microwave theory and techniques， 2007， 55（6）： 1105?1111.
[2] WU Y F， SAXLER A， MOORE M. 30?W/mm GaN HEMTs by field plate optimization [J]. IEEE electron device letters， 2004， 25 （3）： 117?119.
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[4] 郭栋，李梁，窦智童，等.基于新一代半导体GaN的高效率功率放大器的研制[J].现代电子技术，2014，37（15）：83?85.
[5] 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2013.
[6] 袁東明，刘波，孙辉.基于偏最小二乘法的功放识别与预失真设计[J].计算机仿真，2016，33（2）：239?243.
