A-Doherty功率放大器的研究與實現

涂小軍

（西南交通大學 電磁所，成都 四川 610031）

近年來，無線通信事業在全世界范圍內蓬勃發展，無線通信設備的用戶也隨著迅速增長。由于功率放大器是無線通信系統中的重要組成部分，影響著整個系統的性能，為了適應大量商用，所以對功率放大器的技術指標提出了較高的要求。其中功率放大器的線性度和效率是功率放大器設計的重點和難點，同時也是對功率放大器研究的熱點。功放的線性度和效率是相互矛盾的，兩者難以同時兼顧。在目前現有的高效率方案中主要包括，Kahn包絡分離和恢復技術，LINC技術，包絡跟蹤（ET）技術以及Doherty技術等。雖然這些方案都提高了效率，但綜合電路的帶寬、電路的結構以及成本等因素考慮，Doherty是一種比較好的可行方案。

Doherty是一種不受傳輸數據影響和適用于搞數據率通信系統的高效率功率放大器。1936年，貝爾實驗室的WH.Doherty提出電路的概念。該電路最初是應用與真空管中，為底平均效率的傳統振幅調制提高效率的替代品[1]，開始只是為了解決效率的問題，并沒有考慮線性度，所以最原始的Doherty功率放大器的線性度一般都很差。經過多年的發展，特別是近些年將Doherty功率放大器引入微波領域后，Doherty功放進入了飛速房展的階段。目前，Doherty功率放大器可以在保證功放具有較好的線性度的前提下提高效率。

文中通過對傳統對稱Doherty和非對稱Doherty（ADoherty）功率放大器的基本理論及其工作原理的分析對比，為了改善飽和輸出功率和效率這兩個功率放大器指標中非常重要的兩個，而且在一定程度上兩者之間是相互矛盾的，A-Doherty和對稱Doherty相比，更好的同時改進功放的這兩個指標，調和這一對矛盾。然后利用LDMOS晶體管設計對稱Doherty和A-Doherty功放，由仿真結果可以看出A-Doherty功率放大器的性能有所改善。

1 Doherty功率放大器的基本理論

1.1 對稱Doherty功率放大器的基本理論

經典的二級Doherty功率放大器的結構框圖如圖1[2]所示。

圖1 Doherty功率放大器結構圖Fig.1 Structure diagram of Doherty power amplifier

原始的經典的二級Doherty有兩個功率放大器組成，即一個載波（主）和峰值（輔助）放大器，其中載波放大器工作在AB類或者B類工作狀態，峰值放大器工作在C類狀態。載波放大器和峰值放大器由傳輸線隔開，這一傳輸線起到的作用是在峰值放大器開始工作時，起到將載波放大器的阻抗減小的作用；而位于輸入端和峰值放大器之間的傳輸線則起到了補償由載波放大器輸出的傳輸線引起的相。

Doherty功放有3種工作狀態，如圖2所示，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。低功率輸出模式，即輸入功率小于如圖2所示的A點，此時峰值放大器沒有打開，峰值放大器對輸出端呈現高阻狀態，可以近似看做開路，而只有載波放大器在工作，所有的的輸出信號由載波放大器提供輸出，此時的載波放大器可以看做是一個受控電流源。當輸入信號接近A點時，載波放大器的輸出電流僅有最大值的時候電壓酒接近飽和，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。當輸入加大信號到達A點時，為中等功率輸出模式，載波放大器的電壓達到飽和，可以看做是一個受控電壓源，而峰值放大器則可以看做是一個受控電流源。由動態的負載牽引技術可知，由于峰值放大器的電流隨輸入信號增加而上升，使得載波放大器輸出端λ/4傳輸線后面的阻抗R2（如圖1所示）增加，但由于λ/4波長阻抗變換作用，使得載波放大器后的阻抗R1減小，所以載波放大器在漏極電壓不變的情況下能夠輸出更大的輸出功率。隨著輸入信號的逐步增大，在峰值放大器沒達到飽和之前，整個功放的效率仍將保持在較高的水平。當輸入信號繼續增加大，使得載波放大器和峰值放大器都達到最大輸出功率，峰值放大器的效率也達到最大值，此時為大功率輸出模式，Doherty功率放大器的效率達到最大值。

圖2 Doherty功放的工作狀態示意圖Fig.2 Working state diagram of Doherty amplifier

如圖3所示[3]，載波放大器用電流源IC代替，峰值放大器用電流源Ip代替，并且假設放大器的諧波部分都被短路，電路的性能由直流與基頻部分決定，2個放大器的尺寸相同。Zc和Zp分別表示載波放大器和峰值放大器的負載阻抗，Doherty放大器中的載波、峰值放大器在各種工作狀態下的負載阻抗為：

式中ZL是Doherty功放的負載阻抗，Pon為圖3中A點的

1.2 A-Doherty功率放大器的基本理論塊

圖3 Doherty功放工作原理圖Fig.3 Working schematic of Doherty amplifier

在前面闡述了傳統的對稱Doherty功放的理論及其工作原理，確實可以看到Doherty功放和普通功放相比的優點，但在具體的實施過程中，發現傳統對稱Doherty功率放大器存在以下的不足：1）由于載波放大器工作在AB類或B類狀態，而峰值放大器則在C類狀態，所以對于傳統對稱Doherty功放的峰值放大器的電流小于載波放大器的電流，從而使載波放大器的最終輸出功率低于其實際輸出能力，即峰值放大器無法達到功率飽和輸出，所以整個Doherty功率放大器也就不能輸出預計的飽和功率值了。2）與理論可知當輸出功率在飽和功率回退6 dB時效率達到最大，回退大于6 dB時效率將會降低，而且實際中載波放大器還未到達電壓飽和時峰值放大器就開始工作，所以整個Doherty功放的效率很難達到最大值。

為了改善傳統對稱Doherty功放所存在的缺陷，針對上面的所提出的具體問題進行一些改進，如針對第一個缺陷（飽和輸出功率低）可以增加峰值放大器的輸入功率，即在Doherty功放的輸入前端采用不等功率分配；兩功率管不僅可以采用不同的漏極偏置；還可以采用不同的功率管。而針對第二個缺陷（效率較難達最大值）可以讓載波、峰值放大器采用不同的功率管，還可以采用類Doherty推動Doherty的結構形式。因此現在常見的A-Doherty功放的形式有以下幾種：1）適當的改變Doherty功放電路中功分器的功率分配 （一般峰值放大器分配得到的功率多些），使得峰值放大器盡量能夠達到功率飽和輸出；2）適當提高峰值放大器功率管的漏極電壓，值得注意的是自種方法載波、峰值放大器雖然用的是同一種功率管，但由于漏極電壓不一樣，因此匹配電路也就不一樣了；3）采用不同的功率晶體管。這幾種方法可以根據具體實際情況即可以單獨使用，也可以任意幾個組合使用。例如，我們采用改變Doherty功放電路中功分器的功率分配，即載波、峰值放大器輸入不等分的輸入功率，若適當讓峰值放大器承載更多的輸入功率，兩放大器的基波電流在滿功率輸出的時候是相等的。因此在高功率的時候，兩個放大器都可以被牽引到最佳的輸出功率阻抗點，在負載處可以得到最大的功率輸出。兩級非對稱Doherty功率放大器的效率表達式為：

其中α為輸入分配比，P′on為峰值放大器開始工作的輸入功率。

2 A-Doherty功率放大器的實現

文中用的是不等功率輸入的方法來改善Doherty的性能，用的MFR6S9045NR是一款由Freescale提供的LDMOS功放晶體管模型，用的仿真工具是安捷倫公司的ADS（Advance Design System）仿真軟件。

2.1 單管放大器的仿真

圖4 仿真設計流程圖Fig.4 Simulation and design flow chart

文中仿真設計的工作的中心頻率為880 MHz，先確定放大器晶體管的靜態工作點，只有在正常的柵極電壓和漏極電壓下功率放大器才可能正常工作。在ADS仿真軟件中，用直流仿真控制器確定柵極電壓和漏極電壓。選定漏極電壓為28 V，從仿真數據上可以得到，載波放大器工作在AB類，初步定柵極電壓為3.0 V，而峰值放大器工作在C類，初步定柵極電壓為2.65 V。接著就是功率管的穩定性的分析，一個管子絕對穩定的條件[5]如式（4）所示。

采用ADS仿真軟件進行功率放大器的仿真流程如圖4[4]所示。

其中D=S11S22-S12S21。K稱之為穩定性判別系數，K＞1是穩定狀態，只有當3個條件都滿足是，才能保證放大器是絕對穩定的。接下來用ADS軟件自帶的Loadpull和Sourcepull模板，用Loadpull和Sourcepull技術對晶體管進行掃描，從而找到管子的最佳匹配點Zload=3.177+j1.429和Zsource=2.29+j0.273，這和供應商的晶體管大信號工作模式上的實測數據比較吻合。然后就是用的集總參數匹配的方法將和匹配到50，阻抗匹配時主要考慮到以下幾個方面：1）簡單性；2）頻帶的寬度；3）匹配電路的種類；4）匹配電路應具有可調。

2.2 完整的A-Doherty和對稱的Doherty功放的仿真

完成單管的仿真后，即可將電路綜合起來，保持載波、峰值功放管的輸入輸出匹配電路、偏置網絡不變，對電路按以下兩個方向進行整體功放仿真：1）調整輸入端的功分器，即調整載波、峰值功率放大器的輸入端的輸入功率比；2）調整載波、峰值放大器的柵極電壓，特別是峰值放大器的柵極電壓，在飽和輸出功率和效率之間找一個平衡點。

經過多次調試和優化，最后得到的1 dB壓縮點、效率和功率結果如圖5、6所示。

圖5 傳統對稱Doherty功放Fig.5 Traditional symmetrical Doherty amplifier

圖6 A-Doherty功放Fig.6 A-Doherty amplifier

從圖5中可看出傳統對稱Doherty功放的P1dB為43.325 dBm，此時功放的輸出附加效率為23.472%。從圖6中可以看出A-Doherty功放的P1dB為44.532 dBm，此時功放的輸出附加效率為34.051%，通過比較看出A-Doherty和傳統的Doherty功放相比在效率、線性度和輸出功率方面得到明顯的改善，而且A-Doherty功放的增益為17.532，從而保證A-Doherty功放的線性度的同時得到高效的性能。

3 結束語

文中通過介紹分析傳統Doherty功放的基本理論，并指出在實際設計中存在的一些不足，為了克服不足進而提出了A-Doherty功放，最后通過比較仿真結果說明了A-Doherty功放在效率、線性度、功率等放大器的參數均得到了一定的改善。

[1]Doherty W H.A new high efficiency power amplifier for modulated waves[J].Proc.IRE，2001（24）:2507-2515.

[2]Grebennikov A.射頻與微波功率放大器設計 [M].張玉興，趙宏飛，譯.北京：電子工業出版社，2006.

[3]Kim B，Kim J.The Doherty power amplifier[J].IEEEMicrowave Magazine，2006，7（5）：42-55.

[4]林杰.Doherty功率放大器的設計[D].成都：電子科技大學，2010.

[5]徐興福.ADS2008射頻電路設計與仿真實例 [M].北京：電子工業出版社，2009.

[6]劉長軍，黃卡瑪，閆麗萍.射頻通信電路設計[M].北京：科學出版社，2005.