機(jī)載實(shí)況攝錄傳輸系統(tǒng)中Doherty功率放大器的設(shè)計(jì)＊

喬文長(zhǎng) 許 偉

（91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

隨著功率放大器技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，這使得在“高速移動(dòng)”和“非視距”條件下，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的實(shí)時(shí)的無(wú)線圖像、聲音和數(shù)據(jù)傳輸成為可能[1]。機(jī)載實(shí)況傳輸系統(tǒng)的功率放大系統(tǒng)采用了先進(jìn)的Doherty結(jié)構(gòu)技術(shù)，能夠確保高速移動(dòng)、抗衰落及多徑干擾下的穩(wěn)定傳輸（移動(dòng)速度可達(dá)150km／h），提供廣播級(jí)DVD質(zhì)量的高清晰圖像，強(qiáng)大的非視距傳輸能力，具有覆蓋范圍廣、靈敏度高、數(shù)據(jù)量大、有效率高等優(yōu)點(diǎn)，為現(xiàn)場(chǎng)指揮、野外作戰(zhàn)等特殊條件下，應(yīng)急通信所需要的遠(yuǎn)距離、高質(zhì)量、高速率的實(shí)時(shí)圖像、音頻及數(shù)據(jù)傳輸提供理想的解決方案。

2 在機(jī)載實(shí)況傳輸系統(tǒng)中功率放大器的設(shè)計(jì)需求

在機(jī)載實(shí)況攝錄傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)將來(lái)自攝像機(jī)的視頻和音頻信號(hào)通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)編碼后復(fù)接成一個(gè)合路數(shù)據(jù)，傳輸?shù)紺OFDM調(diào)制單元。COFDM調(diào)制單元將接收的信號(hào)進(jìn)積聯(lián)合編碼，然后進(jìn)行編碼映射，映射后得星座圖進(jìn)行OFDM（正交多載波）調(diào)制。調(diào)制后的兩路正交信號(hào)，用低相噪本振進(jìn)行正交調(diào)制[2]。得到的基帶調(diào)制信號(hào)需要經(jīng)過(guò)功率放大器放大，才能夠經(jīng)過(guò)天線發(fā)射出去（如圖1所示）。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)原理圖

根據(jù)直升機(jī)機(jī)載數(shù)字無(wú)線圖像實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)要求，在直升機(jī)飛行一定高度下，船舶和飛機(jī)距離不小50km時(shí)快速建立起飛機(jī)到實(shí)驗(yàn)船穩(wěn)定的實(shí)時(shí)高質(zhì)量視頻、音頻傳輸，可以根據(jù)用戶(hù)的要求建立直升機(jī)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(nèi)起伏為0.1。功率放大器設(shè)計(jì)采用Doherty結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有效率高，頻響好，雜散少等特點(diǎn)。

3 Doherty功率放大器原理概述

Doherty結(jié)構(gòu)由兩個(gè)功放組成：一個(gè)主功放，一個(gè)輔助功放，主功放工作在B類(lèi)或者AB類(lèi)，輔助功放工作在C類(lèi)。兩個(gè)功放不是輪流工作，而是主功放一直工作，輔助功放到設(shè)定的峰值才工作，這個(gè)功放也叫作peak amplifier[4]。主功放后面的90°四分之一波長(zhǎng)線是阻抗變換，目的是在輔助功放工作時(shí)，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(shí)候和后面的電路組成的有源負(fù)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(zhǎng)線，為了使兩個(gè)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(lèi)，當(dāng)輸入信號(hào)比較小的時(shí)候，只有主功放處于工作狀態(tài)；當(dāng)管子的輸出電壓達(dá)到峰值飽和點(diǎn)時(shí)，理論上的效率能達(dá)到78.5%[6]。如果這時(shí)候?qū)⒓?lì)加大一倍，那么，管子在達(dá)到峰值的一半時(shí)就出現(xiàn)飽和了，效率也達(dá)到最大的78.5%，此時(shí)輔助功放也開(kāi)始與主放大器一起工作此時(shí)C類(lèi)，門(mén)限設(shè)置為激勵(lì)信號(hào)電壓的一半。輔助功放的引入，使得從主功放的角度看，負(fù)載減小了，因?yàn)檩o助功放對(duì)負(fù)載的作用相當(dāng)于串連了一個(gè)負(fù)阻抗。所以，即使主功放的輸出電壓飽和恒定，但輸出功率因?yàn)樨?fù)載的減小卻持續(xù)增大，那是因?yàn)榱鬟^(guò)負(fù)載的電流變大的緣故。當(dāng)達(dá)到激勵(lì)的峰值時(shí)，輔助功放也達(dá)到了自己效率的最大點(diǎn)，這樣兩個(gè)功放合在一起的效率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單個(gè)B類(lèi)功放的效率[7]。單個(gè)B類(lèi)功放的最大效率78.5%出現(xiàn)在峰值處，現(xiàn)在78.5%的效率在峰值的一半就出現(xiàn)了。因此每個(gè)放大器均達(dá)到最大的輸出效率，所以這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能達(dá)到很高的效率。

4 Doherty功率放大器設(shè)計(jì)

根據(jù)直升機(jī)機(jī)載數(shù)字無(wú)線圖像實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)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(shè)計(jì)指標(biāo)要求。要設(shè)計(jì)Doherty功率放大器，首先應(yīng)該選擇元器件，然后選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，設(shè)置偏置電路。再進(jìn)行阻抗匹配，最后再設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

根據(jù)指標(biāo)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(chǎng)占有率達(dá)到70%以上，而LDMOS器件也特別適用于CDMA，WCDMA，TETRA、數(shù)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(yīng)用。另外由于總的放大器的輸出增益要達(dá)到50dB，所以應(yīng)該選用多級(jí)功率放大器。

因?yàn)镈oherty功率放大器的最高效率是在大約回退6 dB的時(shí)候達(dá)到[8]，所以選擇功率放大器為兩個(gè)摩托羅拉的管子MRF21060，他們?cè)谧畲蠊β使ぷ鲿r(shí)總的功率為120 W，回退1／4（6dB）即得到30W。要設(shè)計(jì)Doherty功率放大器，就需要使其中一個(gè)管子工作在AB類(lèi)或則B類(lèi)工作狀態(tài)下，而另一個(gè)管子的靜態(tài)工作點(diǎn)選擇在C類(lèi)工作狀態(tài)下[9]。對(duì)LDMOS管子的 MRF21060進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)掃描，選定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 MRF21060靜態(tài)工作點(diǎn)掃描（VDS＝28V）

根據(jù)Doherty技術(shù)要求，功率放大器偏置的選擇，應(yīng)該使主放大器達(dá)到飽和的時(shí)候，這時(shí)輔助放大器才開(kāi)始工作，這樣才能達(dá)到相當(dāng)高的效率。

4.2 電路匹配設(shè)計(jì)

LOAD PULL（負(fù)載牽引技術(shù)）測(cè)量方法能使設(shè)計(jì)者確定負(fù)載阻抗ZL.RF功率放大器在大信號(hào)工作時(shí)，晶體管的最佳負(fù)載阻抗會(huì)隨著輸入信號(hào)功率的增加而跟著改變，因此，必須在史密斯圓圖上，針對(duì)不同的輸入功率單位，每給定一個(gè)輸入功率值就給繪出不同負(fù)載阻抗時(shí)的等輸出功率曲線（power contours），幫助找出最大輸出功率時(shí)的負(fù)載阻抗，這種方法稱(chēng)為 LOAD PULL[10]。

LOAD PULL是基本的測(cè)試大功率功放管輸入輸出負(fù)載特性的方法，理論上來(lái)說(shuō)LOAD PULL可以通過(guò)負(fù)載的變化，得到各個(gè)負(fù)載下的特性，而相同特性如增益相等點(diǎn)可以組成類(lèi)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(shè)計(jì)中根據(jù)要求進(jìn)行權(quán)衡設(shè)計(jì)。例如在具體的增益和線形要求下，可以找對(duì)應(yīng)的等增益圓和等線形圓的交集區(qū)域的中點(diǎn)位置作為阻抗匹配的目標(biāo)。根據(jù)仿真結(jié)果：在指定的偏囂下，如果輸入信號(hào)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(yōu)化的負(fù)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(jié)果

圖5 Doherty功率放大器的功率附加效率仿真結(jié)果

通過(guò)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(lèi)功率放大器附加效率提高了。Doherty功率放大器的設(shè)計(jì)完全能滿(mǎn)足該系統(tǒng)使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹機(jī)載實(shí)況攝錄傳輸系統(tǒng)中Doherty功率放大器的設(shè)計(jì)，使得該系統(tǒng)能夠“高速移動(dòng)”和“非視距”條件下，對(duì)被試品的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行跟蹤拍攝，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的實(shí)時(shí)的無(wú)線圖像和聲音的傳輸，并把攝錄實(shí)況實(shí)時(shí)傳遞到試驗(yàn)指揮船，使指揮員能及時(shí)了解被試品的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，幫助指揮員做出正確的決策。

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