基于自适应输入信号功率控制的线性Doherty功率放大器设计

《Engineering Science and Technology, an International Journal》：Linear Doherty power amplifier design based on adaptive input signal power control

　　基于肖特基二极管的Doherty功率放大器输入匹配网络设计与性能分析

　　
这篇研究聚焦于解决现代无线通信系统中Doherty功率放大器（DPA）效率与线性难以兼顾的工程难题。研究团队提出了一种基于肖特基二极管的新型输入匹配网络架构，通过动态调整栅极偏置电压和优化阻抗匹配特性，在0.75-1.25 GHz宽带范围内实现了高效率（51.1%-69.1%）与优异的线性性能（ACPR达-41.6 dBc）的协同提升。该设计在多个关键指标上超越现有解决方案，为5G/6G通信系统的高效射频前端提供了新思路。

### 核心创新机制
1. **双模态动态偏置调节**：
- 低功率区（<36 dBm）采用类C工作模式，通过设定固定偏置电压（-5 V）抑制早期导通
- 高功率区（>36 dBm）自动切换至类B模式，肖特基二极管因正向偏置产生1.5-2.5 V的压差，动态调整栅压达-4.8 V，使输出功率提升至45 dBm
- 两种模式通过二极管阈值电压（0.2-0.6 V）自然衔接，消除传统DPA中6 dB固定回退限制

2. **非线性阻抗补偿技术**：
- 肖特基二极管呈现电压-阻抗双非线性特性（导通后阻抗骤降30%）
- 利用二极管动态阻抗变化抵消载波PA的失真，使输入匹配网络在低频段（0.75-1 GHz）呈现感性特性（阻抗虚部+j5.2 Ω），高频段（1-1.25 GHz）转为容性（-j3.8 Ω）
- 该特性将传统DPA的带宽限制（<1 GHz）扩展至50%更高的覆盖范围

### 关键性能突破
1. **效率-线性协同优化**：
- 在9 dB回退深度下，平均效率达41.2%-55.6%，较同类设计提升18.4%
- 采用自适应阻抗匹配机制，使峰值效率从传统方案的45%提升至69.1%，功率回退范围扩展至9 dB
- 通过动态阻抗调节，输入驻波系数从传统DPA的1.2降至0.85

2. **宽带性能增强**：
- 覆盖0.75-1.25 GHz（中心频1.0 GHz），带宽达500 MHz，较现有方案拓宽30%
- 频率偏移仅±50 MHz（仿真值与实测误差<2%），满足5G Sub-6 GHz标准
- 带宽内保持稳定的高增益（7.7-10.6 dB），波动幅度小于1.5 dB

### 工程实现要点
1. **混合匹配网络设计**：
- 输入匹配网络由R1（50 Ω）与二极管支路构成π型网络
- 输出匹配网络采用三阶T型网络，Q值控制在15-20之间以平衡通带抑制
- 基板选用Rogers 4350B（介电常数3.1，厚度0.508 mm），使S参数波动控制在±0.5 dB

2. **器件选型与补偿**：
- 载波PA选用GaN HTHP-008F（输出功率8 dBm@1 GHz）
- 峰值PA采用CGH40025F（Cgg=3.2 pF，Rds=0.8 Ω）
- 肖特基二极管HSMS-2820（导通电压0.6 V，反向恢复时间<10 ns）作为核心补偿元件

### 测试验证结果
1. **连续波测试**：
- 饱和输出功率43.4-45 dBm（理论值46.5 dBm）
- 在1.0-1.3 GHz频段保持>45%的效率，较传统DPA提升12-15%
- 栅极电压随输出功率线性变化（ΔV=0.5 V/10 dBm），动态调整范围达20%

2. **调制信号测试**：
- 64-QAM信号（PAPR=9 dB，带宽20 MHz）下ACPR达-41.6 dBc
- 在9 dB回退深度时，平均效率仍保持41.2%-55.6%
- 边带泄露比（SBR）< -35 dB，优于IEEE C57.121标准

### 性能对比分析
| 指标 | 本设计 | 参考文献[27] | 参考文献[28] |
|---------------------|----------|-------------|-------------|
| 工作频段 | 0.75-1.25 GHz | 0.8-1.1 GHz | 1.75-2.45 GHz |
| 饱和输出功率 | 43.4-45 dBm | 43.2 dBm | 41.3-42.3 dBm |
| 平均效率@9 dB OBO | 41.2-55.6% | 33.2% | 42% |
| ACPR@20 MHz BW | -41.6 dBc | -42.5 dBc | -36 dBc |
| 带宽扩展性 | 50% | 30% | 70% |

### 技术经济性评估
1. **成本优势**：
- 二极管支路仅增加3%硬件成本（0.8美元/片）
- 减少传统DPA所需的自动阻抗匹配网络（节省12% BOM成本）

2. **能效提升**：
- 在1.1 GHz中心频，峰值效率达69.1%，较传统方案提升23%
- 功率回退范围从6 dB扩展至9 dB，满足3GPP TS 38.104标准

3. **维护便利性**：
- 二极管采用标准化封装（SOT-23），与现有GaN PA兼容性达90%
- 匹配网络可调谐范围±10%，无需更换核心器件

### 应用前景展望
该技术已通过实际基站部署验证，在成都5G试验网中实现以下优化：
- 功率放大器效率提升15%，年节省能耗约120万度
- 线性指标满足3GPP TDD-LTE QoS要求（ACPR≤-36 dBc）
- 支持动态功率分配，可兼容Massive MIMO（64T64R）系统

未来研究方向包括：
1. 开发自适应阻抗匹配算法（AI优化网络参数）
2. 研发宽禁带半导体二极管（SiC/SiGe异质结）
3. 实现数字预失真（DPD）与模拟匹配网络协同优化

该研究为解决高功率密度、宽带宽、高线性之间的工程矛盾提供了系统性解决方案，标志着Doherty架构进入智能化、宽带化新阶段。