大功率高效Doherty功率放大器的研究與設計

肖 柯

（電子科技大學電子工程學院，四川 成都 611731）

大功率高效Doherty功率放大器的研究與設計

肖 柯

（電子科技大學電子工程學院，四川 成都 611731）

隨著無線通信系統新標準新技術的發展,日益要求提高微波固態功率放大器的性能，使之在更寬的頻帶內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中，由于采用了非恒包絡調制方式，其峰均值相差較大，往往達到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。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技術能夠使放大器在很寬的功率變化范圍內保持高效率輸出。

功率放大器；Doherty；線性度；效率

（一）引言

在現代無線通訊的發展中，由于無線帶寬有限，而導致帶寬異常緊張，各種新的調制技術，如QPSK,QAM,OFDM 等都采用了復雜的調制方式來減少帶寬的占用，在這些技術的應用中，恒包絡調制方式被擯棄，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，而功率回退必然會導致放大器效率的急劇降低。即便現今的預失真和前饋等線性化技術得到了長足的發展，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，功率放大器作為無線通訊系統中最大的耗能元件，效率的高低直接關系著功率放大器和整個系統的穩定性。更高效率的功放不僅能夠節省電費，還可以節省電源等配套設施的投資，而且可以使生產工藝的簡化，降低了整機散熱的要求，增加了設備的穩定性，使網絡性能更好。

Doherty 結構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，結合前饋和預失真電路，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仿真軟件中設計對稱Doherty仿真電路。設計完成的功放電路能夠在6dB功率范圍內保持高效率工作。

（二）Doherty結構功放的基本原理

Doherty結構的概念最早由貝爾實驗室的 W.H.Doherty提出。基本的Doherty電路如圖1所示，由兩個平行放大器構成，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。兩支路經由一段微帶線進行合路并將放大后的信號輸出。當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到飽和時輸出更多的電流，這種現象可以用“有源負載牽引”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結構框圖

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飽和輸出。此時只有主放大器在工作，所有信號都是經由主放大器進行放大，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高阻狀態，可近似認為開路，如圖 2.a所示。輔功放的開路狀態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，此時系統在沒有輸出最大功率的情況下已經擁有了較高的效率。

中等功率輸出模式，當輸入功率繼續增加，使得功放輸出達到飽和輸出功率回退 6dB的時候。此時主放大器電壓達到飽和，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，根據動態負載牽引技術，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下，系統的效率較高。隨著輸入功率的進一步加大，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。

輸入功率繼續加大，輸出功率小于飽和功率回退6dB后，達到大功率輸出模式，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到最大輸出功率，在負載牽引的作用下，主、輔功放輸出阻抗均為Ropt。而且輔放大器也達到了最高的效率，整個系統效率也達到的最高。

（三）Doherty功率放大器設計

本文電路設計主要針對的應用方向為 WCDMA基站功率放大器，設計要求則定為：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，先對管子進行直流仿真來確定管子的工作狀態。選定工作電壓為28V，柵極電壓為2.9V，漏極靜態電流為1A。接下來用Loadpull和Sourcepull技術對晶體管進行掃描，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。匹配電路的設計也是在ADS軟件中完成的，匹配電路的設計盡可能滿足插損小、駐波反射小的要求。

圖3 Loadpull仿真結果

圖4 Sourcepull仿真結果

圖5 利用Smith圓圖設計輸入匹配電路

圖6 輸出匹配電路設計

圖7 完整的單級電路設計結果

（四）Doherty結構設計與仿真

設計中功分選用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。經過反復調試和仿真，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，未達到四分之一的長度，這個長度主要是取決于負載牽引的效果，同時供電電路上的微帶線長度也需要優化，達到對效率和功率的最小影響。從仿真結果可以看出輸入信號在比較大的動態范圍內 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電路設計

圖9 Doherty電路仿真結果

[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:電子科技大學電子工程學院,2009.

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

[4] 侯地哈.高效率高線性基站功放的研究與設計[D].成都:電子科技大學電子工程學院,2009.

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

TN722.7+5

A

1008-1151(2011)03-0019-02

2010-12-26

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