基于包络跟踪技术的高效率双频功率放大器的设计方法

摘要

本发明提供一种基于包络跟踪技术的高效率双频功率放大器的设计方法，将包络跟踪技术与Doherty技术同时作用，可以将功放效率进一步提高，同时由于包络跟踪技术与具体载波的频率无关，可以适用于多频并发系统，且包络跟踪技术可以与数字预失真技术结合使用，在提高效率的同时提升功放的线性度，此外，包络跟踪实现起来较为简单，模块独立，同样的结构可以适用于多种功率放大器模块。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术的功率放大器设计技术领域，特别是涉及一 种基于包络跟踪技术的高效率双频功率放大器的设计方法。

背景技术

在当代的无线通信系统中，系统的能耗是备受关注的指标。而射频 功率放大器是无线基站的核心，它的效率是影响基站效率的决定因素。 而多种无线通信技术标准和调制模式，使得信号有较高的功率峰均比 (PAPR)。例如WCDMA单载波原始信号的峰均比约为10.2dB， TD-SCDMA约为12dB，OFDM会产生更大的峰均比。为了线性放大非 恒包络调制信号，一般采用功率回退使A类或者AB类功率放大器的输 出失真减小到被允许范围。但是对于高峰均比信号，功率回退严重降低 了功率放大器效率。即，在功率放大器设计中不可避免地存在线性度与 效率之间的折中。因此，追求高效率和保持线性度成为当前功放研究的 两个热点。

常见的提高功放效率的技术有开关模式(E类)放大器技术，Doherty 技术，LINC技术，和包络跟踪技术(Envelope Tracking)。

功放的漏极效率可由下式得到：

$\eta =\frac{P_1}{P_0}=\frac{1}{2}\frac{I_1}{I_0}\frac{V_1}{V_{\mathrm{dc}}}$

式中，是基频输出功率；P₀＝I₀V_dc是直流功率；I₁，V₁分别为 输出基波电压电流振幅。I₀为直流电流，V_dc为直流偏压。当功放工作点范 围选定，导通角基本恒定，即为常数。漏极的效率η就只与V₁与V_dc的比 值有关，如果要提高漏极效率，那么就要使这个比值尽量的大，且尽量 恒定。而功率附加效率：

$\mathrm{PAE}=\eta (1-\frac{P_2}{P_1})$

所以，功率附加效率和漏极效率成正比。

包络跟踪技术是利用放大器工作在饱和状态时效率最好的原理实现 的，基本思想就是根据输入射频信号包络幅度大小来决定放大器供电电 压：当小包络时采用低电压供电，电压随着包络幅度增大作适当调节， 从而使放大器在不同功率输入时能够工作与该对应供电电压的饱和区 域，减少功率损耗，达到高效率。

一些工作模式如E类、F类功放能够达到很高的漏极效率，理想状态 下达到100％的漏极效率，但是这类功放的缺点是线性度比较差。Doherty 结构的功放兼有较高的效率(相对于AB类放大器)和较好线性度(相 对于C类放大器)，目前已广泛地应用于无线通信基站当中。但是由于其 结构特点，带宽受到限制，无法满足宽带系统的要求。

因此，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够 创新的提出有一种有效措施以克服现有技术存在的缺陷，满足实际应用的需 求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于包络跟踪技术的高效率双 频功率放大器的设计方法，所设计的功率放大器通过包络跟踪技术实现双频 Doherty功放效率的进一步提高，能实现在适用于移动通信基站末级射频输 出中的功率放大器，效率高，同时可实现双频并发工作。

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于包络跟踪技术的高效率双频 功率放大器的设计方法，包括：

将原始数字信号分为两路输出，一路为包络信号，另一路为经过延时的 原始信号，两路输出分别经过数模转换为模拟信号；

包络信号经过线性电压放大器为功放提供偏置电压；

高压侧电流检测放大器检测线性电压放大器的输出电流，并通过输出电 压控制压控电流源，用电流源为功放偏置端提供电流；

将包络放大器的输出信号输入双频并发的Doherty功放的直流偏置端， 同时将经过延时的原始信号输入功放的输入端，由功放进行放大；

将功放的输出信号耦合回DSP，采样后的信号与原始信号进行比较，确 定延时长度。

优选的，对输入与输出序列进行相关，取相关系数最大的延时值进行延 时。

优选的，延时的典型值为10ns。

优选的，对功放进行放大时，其增益取决于所用晶体管。

优选的，当使用晶体管的型号为Cree 24010，工作电压在48V下1dB 压缩点输出功率可达42dBm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供一种基于包络跟踪技术的高效率双频功率放大器的设计方 法，将包络跟踪技术与Doherty技术同时作用，可以将功放效率进一步提高， 同时由于包络跟踪技术与具体载波的频率无关，可以适用于多频并发系统， 且包络跟踪技术可以与数字预失真技术结合使用，在提高效率的同时提升功 放的线性度，此外，包络跟踪实现起来较为简单，模块独立，同样的结构可 以适用于多种功率放大器模块。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的一种基于包络跟踪技术的高效率 双频功率放大器的设计方法示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述的基于包络跟踪技术的高效率双频 Doherty功率放大器结构示意图；

图3是本发明具体实施方式中所述的包络放大器功能模块结构示意图；

图4是本发明具体实施方式中所述的包络放大器电路框图；

图5是本发明具体实施方式中所述的包络放大器效率与负载电阻关系 图；

图6是本发明具体实施方式中所述的基于包络跟踪技术的高效率双频/ 多频Doherty功率放大器的输出信号在频域上与原始信号及直接放大后的信 号对比图；其中，图6a是载频为960MHz的信号，图6b是载频为2GHz的 信号。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

Doherty电路的基本原理是将输入信号的平均部分和峰值部分分开放 大，然后合成，从而获得高效率。由于Doherty结构的有源负载牵引特性， 使得功放能在一定功率回退的范围内保证较高效率，满足不同峰均比调 制信号的放大需求。包络跟踪技术与Doherty功放相结合，可以实现高 效率、高线性功放。适用于移动通信基站末级射频输出中的功率放大器， 输出功率和信号带宽都较传统的包络跟踪放大器有更高的指标。这对放 大包络信号的包络放大器的输出电压和速度提出了更高的要求，在满足 这些要求的同时，还要保证包络放大器有较高的效率，以保证整体功放 的效率。另外，由于为了实现包络跟踪，将包络信号和原始信号同时输 入到功率放大器的直流端和信号端，需要完成两路信号的时间对齐。

参照图1，示出了本发明的一种基于包络跟踪技术的高效率双频功率放 大器的设计方法示意图，所述方法具体包括：

步骤S101，将原始数字信号分为两路输出，一路为包络信号，另一路 为经过延时的原始信号，两路输出分别经过数模转换为模拟信号；

步骤S102，包络信号经过线性电压放大器为功放提供偏置电压；

步骤S103，高压侧电流检测放大器检测线性电压放大器的输出电流， 并通过输出电压控制压控电流源，用电流源为功放偏置端提供电流；

步骤S104，将包络放大器的输出信号输入双频并发的Doherty功放的直 流偏置端，同时将经过延时的原始信号输入功放的输入端，由功放进行放大；

步骤S105，将功放的输出信号耦合回DSP，采样后的信号与原始信号 进行比较，确定延时长度。

其中，对输入与输出序列进行相关，取相关系数最大的延时值进行延时。 延时的典型值为10ns。

对功放进行放大时，其增益取决于所用晶体管。

当使用晶体管的型号为Cree 24010，工作电压在48V下1dB压缩点输出 功率可达42dBm。

参照图2，首先，需要确定基于包络跟踪技术的高效率双频Doherty功 率放大器结构。本发明提出的基于包络跟踪技术的高效率功放结构。总体上 分为四个部分：DSP数字处理、包络放大器、双频/多频并发Doherty功率放 大器和电压耦合反馈回路。

DSP数字处理模块将数字域信号I/Q数据进行处理，输出包络同时将I/Q数据进行延时Δt，这里Δt可以通过事先训练获得，将功放的基带 I/Q信号做复相关来同步输入和输出数据，取相关最高的延时为Δt。同时， 可以针对具体的功放对I/Q数据进行适当的预失真处理。

然后，确定包络放大器结构。本发明的包络放大器采用线性辅助的开关 模式电压变换器的结构，由宽带线性部分(但是效率较低)和窄带开关部分 (高效率)组成，参照图3。线性部分和开关部分由检测电阻R_sense连接起来， 各部分电流电压之间有如下关系：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{linear}}=i_{\mathrm{Rload}}-i_{\mathrm{sw}}\\ i_{\mathrm{Rload}}=V_s/R_{\mathrm{load}}\end{array}\right)$

若i_Rload →0，则i_sw→V_s/R_load，即意味着负载上电压与电压源同步，而电 流源提供几乎所有功率。

这样的结构意在实现在线性部分和开关部分之间的功率分离，同时兼顾 高效率和宽带。对于WiMAX的基带信号来说，99％的包络信号能量集中在 8MHz以下，所以包络放大器的带宽需要达到至少80MHz，以满足功放对于 线性度的需求。

参照图4，给出了包络放大器的大体电路框图。

线性部分由运算放大器和AB类推挽输出级完成电压放大，推挽输出级 的共模输出电压需要根据输入信号的PAPR和功放的峰值直流偏置电压进行 调节。线性部分的电压稳定性强，可以提供稳定的包络放大电压，相当于电 压源；

线性部分可以放大电压，但是由于使用的运放和推挽输出级输出电流有 限，并且效率较低，很难为功放的漏极提供足够大的功率。非线性部分效率 较高，向功放漏极主要提供功率，它由PMOS开关管、二极管和电感组成。 通过一个检测电流方向的电阻R_sense和迟滞比较器检测线性部分输出电流大 小，控制开关。当线性部分输出电流较大时，比较器输出低电平，PMOS管 开关导通，此时二极管负极电压为V_DD，二极管关闭，开关向漏极偏置供电； 当线性部分输出电流较小或者反向时，比较器输出高电平，PMOS管开关关 闭，由于电感的存在，需要保持电流不发生跳变，此时二极管导通，向漏极 偏置供电。即当i_linear□R_sense＜h时，V_D＝0；当i_linear□R_sense＞h时，V_D＝V_SS；其余情 况V_D不变。

调整参数，完成包络放大器，实现效率参照图5，可达71％。

设计基于DSP的数字预失真算法，降低功放的非线性，同时改善因为 包络跟踪而引起的增益降低。同步包络信号采用将功率放大器的基带信号做 复相关来进行。

参照图6a-6b，示出两路不同的WiMAX信号作为基带信号，分别用载 频960MHz和2000MHz进行调制，将两路信号同时作为输入信号时，经过 使用包络跟踪技术的功放放大和直接放大的输出信号与原始信号的对比，蓝 色曲线为输入的原始信号频谱，红色曲线为直接经过功放模块放大的信号频 谱，黑色曲线为经过使用包络跟踪技术的功放放大的信号频谱。可以看出在 提高了效率的同时，线性度的恶化较小，在可以接受的范围内。

本发明的基于包络跟踪技术的高效率双频/多频Doherty功率放大器使 用了包络跟踪技术作为提高双频/多频Doherty功率放大器效率的设计基础。 包络跟踪技术对输入信号包络进行放大，作为漏极偏置，可以实现在低输入 功率下功率管工作在饱和状态，进而提高漏极效率。本发明的本发明的基于 包络跟踪技术的高效率双频/多频Doherty功率放大器结构清晰，实现简单， 可以有效提高漏极附加效率，且不影响线性度。

以上对本发明所提供的一种基于包络跟踪技术的高效率双频功率放大 器的设计方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及 实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及 其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具 体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理 解为对本发明的限制。