基于铁电电容的线性度改进型Doherty功率放大器

Linearity Improved Doherty Power Amplifier Using Ferroelectric Ceramics

赵世巍、杨岚清，重庆邮电大学光电工程学院；徐跃杭，电子科技大学

本文使用铁电电容来改善Doherty功率放大器（DPA）的线性度。传统的 传输线由铁电电容代替，用于补偿90度的相位延迟。可以通过改变钛酸锶钡（BST）铁电体上的电压来改变峰值放大器输入的相位，以抑制AM到PM的失真。与传统DPA相比，三阶互调失真（IMD3）降低了16 dB。

对于具有宽动态范围的功率放大器（PA），其线性度是采用复数数字调制的现代无线通信系统中的关键性能参数。DPA在宽输出功率范围内表现出高效率，但线性度不能满足现代无线通信系统的严格要求。一些线性度改进技术已经被提出，例如使用宽带相位逆变器、复合左右手传输线（CRLH-TL）以及采用非对称DPA结构^[1-4]，但是上述结构在调试过程中不能通过修改相位从而改善线性度。

铁电变容二极管已被用作CRLH移相器应用中的可调谐元件^[5]，并且在相控阵天线中也采用了基于铁电电容的可调谐移相器^[6]。在本文的工作中，使用铁电电容取代了传统的DPA的 传输线，以实现90度相移。最终在改善了线性度的同时没有影响功率附加效率（PAE）。

高线性度DPA的设计

BST铁电电容谐振单元由一系列交指电容器（IDC）和作为并联电感器的接地短截线构成，其结构如图1所示。在系列分支中使用以下尺寸的IDC：长度l = 115μm，手指宽度w = 46μm，间隙宽度为23μm。 和 分别为1.2mm和3.5mm。BST厚膜的高度为2μm，在 基板上进行印刷和烧结，基板高度为620 ，  = 10.1。BST的相对介电常数  = 175。

图1 铁电电容结构

电路结构如图2所示。通过BST铁电电容谐振单元将峰值C类功放信号与AB类主功放信号相结合，作为DPA的输出。最终可同时实现90度的相位延迟以及峰值放大器FET的输入电容和输入相位可调。

图2 DPA原理图

线性度的提高

在高功率水平时，峰值放大器处于开启状态，三阶互调失真（IMD3）由主放大器和峰值放大器共同决定，但此时峰值放大器占主导地位，因为它是C类放大器。峰值放大器的AM到PM失真是一个关键因素，其影响可以追溯到晶体管模型元件的信号级依赖性。其中，FET输入电容的贡献最大。峰值放大器的非线性特性可以表示为^[1,7]

其中i(t)和V是峰值放大器中漏极的电流与电压， 表示传递函数。三阶互调乘积表示为

和 之间的关系式为^[8]

其中 是负载电阻， 是总输入电容， 与 分别为基发射极和基集电极电容， 为集电极传递函数。

在通过改变BST的电压来控制峰值放大器输入相位的同时，还改变输入电容值以减小AM到PM的失真。由于 受铁电电容的影响，由式3可知，此时 也会随之发生改变。主放大器和峰值放大器的 值具有相反的相位，并且通过铁电电容对峰值放大器的 进行修改，峰值放大器的 值与主放大器的 值大小相同。这减少了总体的IMD3，因此，与传统的DPA相比，本文所设计的DPA的线性度得到了改善。

实物加工与测试结果

本文所设计的DPA在Rogers 4350基板上制造而成（图3）。BST铁电电容的偏置电压为45V以产生90度相移。主放大器和峰值放大器都采用NXP MRF8P26080H LDMOS功率晶体管。主放大器和峰值放大器的V_DS均为28V，而主放大器和峰值放大器的 分别为2.65V和2.28V。工作的频率范围为2570-2620 MHz。

图3 DPA实物图

在频率为2.6GHz时，与传统DPA所测得的PAE相比，本文所设计的DPA的模拟和测量PAE如图4所示。该DPA与传统DPA相比具有更高的PAE，最大PAE为46.2%。图5展示了在使用2.6GHz中心频率和5MHz间隔的双音信号时，该DPA的IMD3模拟与测量值与传统DPA的IMD3测量值的比较。与常规DPA相比，该DPA的IMD3得到显著改善。在低功率状态时，它们几乎相同，因为此时峰值放大器处于关闭状态。然而，当峰值放大器导通时，IMD3的改善幅度高达16dB。

图4 与传统DPA的PAE对比图

图5 与传统DPA的IMD3对比图

表1将本工作与最近发布的具有高线性度和效率的PA进行了比较。

总结

通过改变DPA中BST铁电电容谐振单元的电压，抑制了峰值放大器的AM到PM失真。与传统的DPA以及最近发布的其他工作比较表明，本文所设计的DPA在效率上达到了一个较好的水平，并且具有提高线性度的潜力。

参考文献

1.        Mung S W Y, Chan W S. Wideband phase inverter integrated in Doherty power amplifier for linearity improvement[J]. Electronics Letters, 2015, 51(10):771-773.

2.        Ji S H, Sang K E, Cho C S, et al. Linearity Improved Doherty Power Amplifier Using Composite Right/Left-Handed Transmission Lines[J]. IEEE Microwave & Wireless Components Letters, 2008, 18(8):533-535.

3.        Tsai J H, Huang T W. A 38–46 GHz MMIC Doherty Power Amplifier Using Post-Distortion Linearization[J]. IEEE Microwave & Wireless Components Letters, 2007, 17(5):388-390.

4.        Kim J, Fehri B, Boumaiza S, et al. Power Efficiency and Linearity Enhancement Using Optimized Asymmetrical Doherty Power Amplifiers[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2011, 59(2):425-434.

5.        Kuylenstierna D, Vorobiev A, Linner P, et al. Composite right/left handed transmission line phase shifter using ferroelectric varactors[J]. IEEE Microwave & Wireless Components Letters, 2006, 16(4):167-169.

6.        Sazegar M, Zheng Y, Maune H, et al. Low-Cost Phased-Array Antenna Using Compact Tunable Phase Shifters Based on Ferroelectric Ceramics[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2011, 59(5):1265-1273.

7.        Kim J H, Cho C S, Lee J W, et al. Linearity improvement of class-E Doherty amplifier using gm3 cancellation[J]. Electronics Letters, 2008, 44(5):359-360.

8.        Cho Y, Kang D, Kim J, et al. Linear Doherty Power Amplifier With an Enhanced Back-Off Efficiency Mode for Handset Applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2014, 62(3):567-578.