模拟技术中的基于ADS平台不对称Doherty功率放大器的仿真设计

摘要：为在高线性的前提下提高WCDMA基站系统中功率放大器的效率，仿真设计了一款工作于2.14 GHz频段不对称功率驱动的Deherty功率放大器。基于ADS平台，采用MRF6S21140H LDMOS晶体管，通过优化载波放大器和峰值放大器的栅极偏置电压改善三阶互调失真（IMD3），同时通过调节输入功率分配比例改善由于峰值放大器对载波放大器牵引不足导致的失配问题，从而改善不对称Doberty功率放大器的输出性能。仿真结果表明，当载波放大器的栅极偏置电压为2.84V,峰值放大器的栅极偏置电压为0.85 V并且输入功率比例为1:2.3,输出功率为44 dBm时其功率附加效率（PAE）为24.21% 在模拟技术领域，特别是在无线通信基站系统中，功率放大器的设计是至关重要的，因为它直接影响到系统的效率和线性度。本文关注的是基于ADS（Advanced Design System）平台的不对称Doherty功率放大器的仿真设计，该设计针对WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access）系统，工作在2.14 GHz频段。Doherty功率放大器是一种高效功率放大器结构，特别适合在保持线性的同时提高效率。 Doherty功率放大器由两部分组成：载波放大器和峰值放大器。在低输出功率状态，载波放大器工作在AB类，提供基本的功率输出，而峰值放大器处于截止或轻度导通状态，不贡献太多功率。随着输入功率的增加，峰值放大器逐渐参与工作，与载波放大器共同提供更高的输出功率。这种工作模式可以在功率回退时保持较高的效率。 在不对称Doherty设计中，重点在于优化载波放大器和峰值放大器的栅极偏置电压，以及输入功率分配比例。在本设计中，选用MRF6S21140H LDMOS晶体管，这是一种常用的高频功率放大器晶体管。通过调整栅极偏置电压，可以控制放大器的工作状态，进而改善三阶互调失真（IMD3），这是一种衡量非线性失真的关键指标。优化后的参数为载波放大器栅极偏置电压2.84V，峰值放大器栅极偏置电压0.85V，输入功率比例为1:2.3。 此外，通过调整输入功率分配比例，可以解决由于峰值放大器对载波放大器牵引不足导致的失配问题。在这些条件下，仿真结果显示，功率附加效率（PAE）达到了24.21%，输出功率为44 dBm。与传统的AB类平衡功率放大器相比，PAE提升了8.58%，IMD3改善了6.98 dBc，这表明不对称Doherty结构显著提升了效率和线性度。 在WCDMA系统中，由于采用了非线性调制方式如BPSK和QPSK，功率放大器需要处理高瞬时峰均功率比（PAPR），导致效率降低。传统AB类功率放大器的效率通常在8%至15%之间。因此，研究设计高效且线性的Doherty功率放大器具有重要意义，它不仅可以提高能源效率，还可以减小基站的运行成本。 本文的研究对无线通信领域的功率放大器设计提供了有价值的参考，尤其是在面对频谱资源紧张、传输速率需求增大的挑战时，设计出兼顾效率和线性度的放大器显得尤为重要。通过ADS平台进行仿真，可以快速验证设计概念，优化参数，并为实际硬件实现提供可靠的基础。未来的研究可能涉及更复杂的优化算法、新型半导体材料的应用，以及在多标准通信系统中的应用。