肖 柯

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

大功率高效Doherty功率放大器的研究與設(shè)計

肖 柯

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

隨著無線通信系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)新技術(shù)的發(fā)展,日益要求提高微波固態(tài)功率放大器的性能，使之在更寬的頻帶內(nèi)具有更高的輸出功率、效率以及線性度。在第三代無線通信系統(tǒng)中，由于采用了非恒包絡(luò)調(diào)制方式，其峰均值相差較大，往往達(dá)到8～10dB。為了保證信號的線性度，一般采用功率回退的方法來實現(xiàn)。但是這樣的方案是以犧牲效率為代價。1936年Doherty提出的高效率方案能夠很好解決這一難題，Doherty技術(shù)能夠使放大器在很寬的功率變化范圍內(nèi)保持高效率輸出。

功率放大器；Doherty；線性度；效率

（一）引言

在現(xiàn)代無線通訊的發(fā)展中，由于無線帶寬有限，而導(dǎo)致帶寬異常緊張，各種新的調(diào)制技術(shù)，如QPSK,QAM,OFDM 等都采用了復(fù)雜的調(diào)制方式來減少帶寬的占用，在這些技術(shù)的應(yīng)用中，恒包絡(luò)調(diào)制方式被擯棄，射頻信號的峰值和平均值相差較大，功率放大器有著很大的輸出動態(tài)圍,這對放大器的線性度提出了很高的要求，而線性度的提升往往以功率回退的形式來得以實現(xiàn)，而功率回退必然會導(dǎo)致放大器效率的急劇降低。即便現(xiàn)今的預(yù)失真和前饋等線性化技術(shù)得到了長足的發(fā)展，一定程度的減少了放大器功率回退的度,但考慮到可靠性等因素，功率放大器必須降額使用，也會導(dǎo)致功率放大器效率的降低,而效率對于功率放大器而言是一個及其重要的指標(biāo)，功率放大器作為無線通訊系統(tǒng)中最大的耗能元件，效率的高低直接關(guān)系著功率放大器和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。更高效率的功放不僅能夠節(jié)省電費(fèi)，還可以節(jié)省電源等配套設(shè)施的投資，而且可以使生產(chǎn)工藝的簡化，降低了整機(jī)散熱的要求，增加了設(shè)備的穩(wěn)定性，使網(wǎng)絡(luò)性能更好。

Doherty 結(jié)構(gòu)的放大器可以較好的解決功率放大器在功率回退時效率提升的問題，結(jié)合前饋和預(yù)失真電路，可以在線性度和效率之間做到較好的兼顧，Doherty 電路的基本原理是將輸入信號的平均部分和峰值部分分開放大，然后合成，從而獲得高效率。本文以Freescale公司的110W晶體管為模型，在ADS仿真軟件中設(shè)計對稱Doherty仿真電路。設(shè)計完成的功放電路能夠在6dB功率范圍內(nèi)保持高效率工作。

（二）Doherty結(jié)構(gòu)功放的基本原理

Doherty結(jié)構(gòu)的概念最早由貝爾實驗室的 W.H.Doherty提出?；镜腄oherty電路如圖1所示，由兩個平行放大器構(gòu)成，一個主功放，又稱載波功放，另一個是輔助功放，又稱峰值功放。其中，主功放偏置在AB類，輔助功放偏置在C類。主功放后面和輔助功放前面各有一段λ/4的微帶線，分別起阻抗變化的作用和相位平衡的作用。兩支路經(jīng)由一段微帶線進(jìn)行合路并將放大后的信號輸出。當(dāng)主放大器接近飽和時輔助放大器輸出電流，由此減小的主放大器的輸出阻抗，這樣就能讓主放大器在達(dá)到飽和時輸出更多的電流，這種現(xiàn)象可以用“有源負(fù)載牽引”的理論來解釋。采用此方法可以使主放大器在飽和輸出點處功率回退 6dB的情況下獲得和輸出飽和功率一樣的效率。

圖1 Doherty結(jié)構(gòu)框圖

Doherty功率放大器的工作原理可以被分為三個模式，分別是低功率輸出模式、中等功率輸出模式、大功率輸出模式。

圖2.a 低功率模式

圖2.b 中等功率模式

圖2.c 大功率模式

低功率輸出模式，即輸入功率不足以使主功放輸出達(dá)飽和輸出。此時只有主放大器在工作，所有信號都是經(jīng)由主放大器進(jìn)行放大，此時主放大器可以看作是一個受控電流源。輔放大器沒有打開工作，所以輔放大器對輸出端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，可近似認(rèn)為開路，如圖 2.a所示。輔功放的開路狀態(tài)使得主放大器的輸出阻抗是兩倍的Ropt。這個高阻抗使得主放大器在輸出電流僅有最大值的一半的時候電壓就接近飽和了，此時系統(tǒng)在沒有輸出最大功率的情況下已經(jīng)擁有了較高的效率。

中等功率輸出模式，當(dāng)輸入功率繼續(xù)增加，使得功放輸出達(dá)到飽和輸出功率回退 6dB的時候。此時主放大器電壓達(dá)到飽和，峰值放大器可以看作是一個受控電流源，主放大器可看作是一個受控電壓源。如圖 2.b所示，根據(jù)動態(tài)負(fù)載牽引技術(shù)，由于輔助放大器電流的上升使得主功放輸出端λ/4波長線后面的阻抗增加，由于λ/4變換線的阻抗變換作用，主功放輸出端阻抗由2Ropt向 Ropt變換，這使得在漏極電壓不變的情況下，主功放能夠輸出更大的功率，而同時由于主功放在電壓飽和的狀態(tài)下，系統(tǒng)的效率較高。隨著輸入功率的進(jìn)一步加大，在輔助放大器沒有飽和之前，整體效率仍將保持在較高的水平。

輸入功率繼續(xù)加大，輸出功率小于飽和功率回退6dB后，達(dá)到大功率輸出模式，輔助放大器線性工作。如圖2.c所示，功放飽和后，主放大器和輔助放大器都達(dá)到最大輸出功率，在負(fù)載牽引的作用下，主、輔功放輸出阻抗均為Ropt。而且輔放大器也達(dá)到了最高的效率，整個系統(tǒng)效率也達(dá)到的最高。

（三）Doherty功率放大器設(shè)計

本文電路設(shè)計主要針對的應(yīng)用方向為 WCDMA基站功率放大器，設(shè)計要求則定為：工作頻段2110～2170MHz，平均輸出功率為40W，峰值功率為160W，PAE為40%，增益為16dB。

Doherty功放電路采用 freescale公司的 110W晶體管MRF7S21110HR3作為仿真模型。而仿真工具為安捷倫公司的ADS（Advance Design System）仿真軟件。在選定晶體管之后，先對管子進(jìn)行直流仿真來確定管子的工作狀態(tài)。選定工作電壓為28V，柵極電壓為2.9V，漏極靜態(tài)電流為1A。接下來用Loadpull和Sourcepull技術(shù)對晶體管進(jìn)行掃描，確定輸入和輸出的最佳匹配點 Zsource和 Zload，最后分別將輸入輸出匹配到50Ω。匹配電路的設(shè)計也是在ADS軟件中完成的，匹配電路的設(shè)計盡可能滿足插損小、駐波反射小的要求。

圖3 Loadpull仿真結(jié)果

圖4 Sourcepull仿真結(jié)果

圖5 利用Smith圓圖設(shè)計輸入匹配電路

圖6 輸出匹配電路設(shè)計

圖7 完整的單級電路設(shè)計結(jié)果

（四）Doherty結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

設(shè)計中功分選用Hybrid90模型，一路輸出與輸入相位差為 0°，接主功放，另外一路延遲 90°，接輔助功放。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和仿真，最終確定輔助功放偏置在1.6V，漏極電壓為 28V。主功放后的四分之一長阻抗變換線只有 17.2mm，未達(dá)到四分之一的長度，這個長度主要是取決于負(fù)載牽引的效果，同時供電電路上的微帶線長度也需要優(yōu)化，達(dá)到對效率和功率的最小影響。從仿真結(jié)果可以看出輸入信號在比較大的動態(tài)范圍內(nèi) Doherty功率放大器的效率能夠保持在一個比較高的水平。

圖8 完整Doherty電路設(shè)計

圖9 Doherty電路仿真結(jié)果

[1] Doherty W H.,A new high efficiency amplifier for moudulated waves,Proc.IRE,vol.24,Sept.1936,pp. 1163-1182.

[2] 牛吉凌.高效率Doherty功率放大器的研制[D].成都:電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,2009.

[3] 吳琦.基于Doherty理論的L波段40W功放研究[D].成都:電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,2007.

[4] 侯地哈.高效率高線性基站功放的研究與設(shè)計[D].成都:電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,2009.

[5] 鄭青.Doherty功率放大器的研究[D].成都:電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,2009.

TN722.7+5

A

1008-1151(2011)03-0019-02

2010-12-26

肖柯（1986－），男，四川南充人，電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院在讀生，研究方向為微波。