Design and Characterization of a 20 W Dual-Input Doherty Power Amplifier

Abstract

Signaler som brukes i moderne systemer for tradløs kommunikasjon har typisk høy PAPR. Dette gjør at ytelsen til RF-effektforsterkerne som brukes er lav når det gjelder virkningsgrad.

Doherty-effektforsterkerarkitekturen benytter to forsterkere til å implementere lastmodulasjon for å øke den lave gjennomsnittsvirkningsgraden som vanligvis sees i konvensjonelle RF-effektforsterkere. Denne masteroppgaven utforsker fordelene ved dynamisk styring av den relative fasen mellom inngangssignalene til de to forsterkerne, samt bruk av adaptiv forspenning av transistoren i auxiliary-forsterkeren for a øke ytelsen til Doherty-effektforsterkeren ytterligere.

En 20 W DPA-prototype med to innganger – bestående av to forsterkere basert på to GaN HEMT – designes i ADS, med fokus på å opprettholde båndbredden i lav-effekt- og Doherty-regionen.

Prototypen karakteriseres i et helautomatisert maleoppsett som benytter skalare effektmålinger for å approksimere den relative fasen mellom de to inngangssignalene for å synkronisere de to signalene i fase. Prototypen karakteriseres med både dynamisk og fast fase og for-spenning.

Med fast fase og forspenning viser de målte resultatene at prototypen leverer en maksimal utgangseffekt på 44 dBm med en maksimal virkningsgrad på 58 %. Når fasen tillates å variere dynamisk som funksjon av inngangseffekt, og forspenningen holdes fast, leverer prototypen en maksimal utgangseffekt på 43 dBm med en virkningsgrad på 63 %.

Gjennomsnittsvirkningsgraden måles til å være bare 33 %, grunnet et utilstrekkelig sveipeområde for forspenningen når målingene er gjort. Virkningsgraden i Doherty-regionen er imidlertid rundt 10 % høyere enn i tilfellet med fast fase.

Med både dynamisk fase og dynamisk forspenning viser prototypen en ekstremt flat gain-respons, men på bekostning av virkningsgrad.

The high PAPR characteristic of signals used in modern wireless communication systems causes poor RFPA performance in terms of efficiency.

The Doherty power amplifier architecture (DPA) employs two amplifiers to implement load modulation in order to increase the poor back-off efficiency typically seen in conventional RFPA’s. This thesis explores the benefits of dynamically controlling the relative phase between the input signals to the two amplifiers, as well as using adaptive auxiliary device biasing in order to improve the performance of DPA’s.

A 20 W dual-input DPA prototype utilizing two GaN HEMT’s as its main and auxiliary device is designed using ADS, with focus on maintaining the bandwidth in the low power and Doherty region.

The designed prototype is characterized in a fully automated measurement setup which utilizes scalar power measurements to approximate the relative phase between the two input signals in order to align them in phase. The prototype is characterized with both dynamic and fixed phase and bias.

With fixed phase and bias, the measured results show that the prototype delivers a peak output power of 44 dBm at a peak efficiency of 58 %. When the phase is allowed to vary dynamically as a function of input power, and the bias is kept fixed, the prototype delivers a peak output power of 43 dBm at a peak efficiency of 63 %.

The back-off efficiency is measured to be only 33 % due to not having used a sufficiently large auxiliary device bias sweep range in the measurement setup. However, with dynamic phase the efficiency in the Doherty region is around 10 % higher than in the case with fixed phase.

With both dynamic phase and dynamic bias, the prototype shows an extremely flat gain response, although at the expense of efficiency.