機載實況攝錄傳輸系統中Doherty功率放大器的設計＊

喬文長 許 偉

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

隨著功率放大器技術的產生和發展，這使得在“高速移動”和“非視距”條件下，實現高質量的實時的無線圖像、聲音和數據傳輸成為可能[1]。機載實況傳輸系統的功率放大系統采用了先進的Doherty結構技術，能夠確保高速移動、抗衰落及多徑干擾下的穩定傳輸（移動速度可達150km／h），提供廣播級DVD質量的高清晰圖像，強大的非視距傳輸能力，具有覆蓋范圍廣、靈敏度高、數據量大、有效率高等優點，為現場指揮、野外作戰等特殊條件下，應急通信所需要的遠距離、高質量、高速率的實時圖像、音頻及數據傳輸提供理想的解決方案。

2 在機載實況傳輸系統中功率放大器的設計需求

在機載實況攝錄傳輸系統中，發射機將來自攝像機的視頻和音頻信號通過A／D轉換器變成數字信號，經過編碼后復接成一個合路數據，傳輸到COFDM調制單元。COFDM調制單元將接收的信號進積聯合編碼，然后進行編碼映射，映射后得星座圖進行OFDM（正交多載波）調制。調制后的兩路正交信號，用低相噪本振進行正交調制[2]。得到的基帶調制信號需要經過功率放大器放大，才能夠經過天線發射出去（如圖1所示）。

圖1 發射系統原理圖

根據直升機機載數字無線圖像實時傳輸系統要求，在直升機飛行一定高度下，船舶和飛機距離不小50km時快速建立起飛機到實驗船穩定的實時高質量視頻、音頻傳輸，可以根據用戶的要求建立直升機和船舶之間GPS信息的傳輸[3]。所以功率放大器的指示為：輸出功率不10W；帶寬為100MHz；帶內起伏為0.1。功率放大器設計采用Doherty結構，該結構具有效率高，頻響好，雜散少等特點。

3 Doherty功率放大器原理概述

Doherty結構由兩個功放組成：一個主功放，一個輔助功放，主功放工作在B類或者AB類，輔助功放工作在C類。兩個功放不是輪流工作，而是主功放一直工作，輔助功放到設定的峰值才工作，這個功放也叫作peak amplifier[4]。主功放后面的90°四分之一波長線是阻抗變換，目的是在輔助功放工作時，起到將主功放的視在阻抗減小的作用，保證輔助功放工作的時候和后面的電路組成的有源負載阻抗變低，這樣主功放輸出電流就變大[5]。由于主功放后面有了四分之一波長線，為了使兩個功放輸出同相，在輔助功放前面也需要90°相移。如圖2所示。

圖2 Doherty功率放大器框圖

主功放工作在B類，當輸入信號比較小的時候，只有主功放處于工作狀態；當管子的輸出電壓達到峰值飽和點時，理論上的效率能達到78.5%[6]。如果這時候將激勵加大一倍，那么，管子在達到峰值的一半時就出現飽和了，效率也達到最大的78.5%，此時輔助功放也開始與主放大器一起工作此時C類，門限設置為激勵信號電壓的一半。輔助功放的引入，使得從主功放的角度看，負載減小了，因為輔助功放對負載的作用相當于串連了一個負阻抗。所以，即使主功放的輸出電壓飽和恒定，但輸出功率因為負載的減小卻持續增大，那是因為流過負載的電流變大的緣故。當達到激勵的峰值時，輔助功放也達到了自己效率的最大點，這樣兩個功放合在一起的效率就遠遠高于單個B類功放的效率[7]。單個B類功放的最大效率78.5%出現在峰值處，現在78.5%的效率在峰值的一半就出現了。因此每個放大器均達到最大的輸出效率，所以這種系統結構能達到很高的效率。

4 Doherty功率放大器設計

根據直升機機載數字無線圖像實時傳輸系統要求，以額定功率30W，輸出增益50dB，工作頻率2110～2170 MHz等為例作為設計指標要求。要設計Doherty功率放大器，首先應該選擇元器件，然后選擇合適的靜態工作點，設置偏置電路。再進行阻抗匹配，最后再設計90°的合路器把主輔功率放大電路合成。

4.1 功率放大器選擇以及放大器偏置設計

根據指標要求，首先選定功率放大器。射頻功率放大器主要選用摩托羅拉公司的LDMOS管，其市場占有率達到70%以上，而LDMOS器件也特別適用于CDMA，WCDMA，TETRA、數字地面電視等需要寬頻率范圍、高線性度和使用壽命要求高的應用。另外由于總的放大器的輸出增益要達到50dB，所以應該選用多級功率放大器。

因為Doherty功率放大器的最高效率是在大約回退6 dB的時候達到[8]，所以選擇功率放大器為兩個摩托羅拉的管子MRF21060，他們在最大功率工作時總的功率為120 W，回退1／4（6dB）即得到30W。要設計Doherty功率放大器，就需要使其中一個管子工作在AB類或則B類工作狀態下，而另一個管子的靜態工作點選擇在C類工作狀態下[9]。對LDMOS管子的 MRF21060進行靜態工作點掃描，選定合適的靜態工作點，如圖3所示。

圖3 MRF21060靜態工作點掃描（VDS＝28V）

根據Doherty技術要求，功率放大器偏置的選擇，應該使主放大器達到飽和的時候，這時輔助放大器才開始工作，這樣才能達到相當高的效率。

4.2 電路匹配設計

LOAD PULL（負載牽引技術）測量方法能使設計者確定負載阻抗ZL.RF功率放大器在大信號工作時，晶體管的最佳負載阻抗會隨著輸入信號功率的增加而跟著改變，因此，必須在史密斯圓圖上，針對不同的輸入功率單位，每給定一個輸入功率值就給繪出不同負載阻抗時的等輸出功率曲線（power contours），幫助找出最大輸出功率時的負載阻抗，這種方法稱為 LOAD PULL[10]。

LOAD PULL是基本的測試大功率功放管輸入輸出負載特性的方法，理論上來說LOAD PULL可以通過負載的變化，得到各個負載下的特性，而相同特性如增益相等點可以組成類似地圖的等高線的圓圖。如增益圓、等效率圓、等線形圓等[12]，得到這些信息后，就可以在設計中根據要求進行權衡設計。例如在具體的增益和線形要求下，可以找對應的等增益圓和等線形圓的交集區域的中點位置作為阻抗匹配的目標。根據仿真結果：在指定的偏囂下，如果輸入信號為30dBm，則最大的功率附加效率為42.84%，最大的輸出功率為14.34dBm。選定最優化的負載為3.530－j2.811。

圖4 CLASS AB功率放大器的功率附加效率仿真結果

圖5 Doherty功率放大器的功率附加效率仿真結果

通過圖4和圖5，可以看出Doherty功率放大器的功率附加效率比普通的AB類功率放大器附加效率提高了。Doherty功率放大器的設計完全能滿足該系統使用。

5 結語

本文主要介紹機載實況攝錄傳輸系統中Doherty功率放大器的設計，使得該系統能夠“高速移動”和“非視距”條件下，對被試品的整個運動過程進行跟蹤拍攝，實現高質量的實時的無線圖像和聲音的傳輸，并把攝錄實況實時傳遞到試驗指揮船，使指揮員能及時了解被試品的運動態勢，幫助指揮員做出正確的決策。

[1]羅文興.移動通信技術[M].北京：機械工業出版社，2010：18－30.

[2]盧慶林.模擬電子技術[M].第3版.重慶：重慶大學出版社，2010：59－80.

[3]程佩青.數字信號處理教程[M].第三版.北京：清華大學出版社，2007：25－36.

[4]王成安.電子技術基礎與技能[M].北京：人民郵電出版社，2010：120－234.

[5]孫燮華.數字圖像處理：原理與算法[M].北京：機械工業出版社，2010：45－48.

[6]李朝暉.數字圖像處理及應用作[M].北京：機械工業出版社，200467－70.

[7]劉勇.數字電路[M].第三版.北京：電子工業出版社，2007：80－90.

[8]林捷，楊緒業.模擬電路與數字電路[M].北京：人民郵電出版社，2007：234－260.

[9]寇戈，蔣立平.模擬電路與數字電路[M].04版.電子工業出版社，2004：70－90.

[10]陳懷琛.數字信號處理教程[M].北京：電子工業出版社，2008：210－250.

[11]蘇煥，徐東平.基于WLAN網絡的移動視頻傳輸的研究與實現[J].計算機與數字工程，2008（9）.

[12]袁光德，李文林.電子技術及應用基礎[M].北京：國防工業出版社，2007：128－133.