Doherty功率放大器設(shè)計(jì)原理

射頻功率放大器被廣泛應(yīng)用于各種無線通信發(fā)射設(shè)備中。線性功放在基站中的成本比例約占1／3，如何有效、低成本地解決功放的線性化問題顯得非常重要。高效率高線性度的功放研究是一個(gè)熱門課題，特別是近幾年針對(duì)WCDMA功率放大器。目前國內(nèi)能生產(chǎn)10 W以上的WCDMA功率放大器廠家只有少數(shù)幾家公司，因?yàn)閃CD-MA功率放大器對(duì)線性度的要求更高。而用普通的回退法生產(chǎn)的WCDMA功率放大器符合指標(biāo)的只能做到幾瓦，這個(gè)功率用在基站上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只能用在一般的小型直放站上。

功率放大器的線性度和效率是設(shè)計(jì)功率放大器的重點(diǎn)。在線性度方面，前饋結(jié)構(gòu)是目前比較成熟的結(jié)構(gòu)，廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，數(shù)字預(yù)失真在業(yè)界則被認(rèn)為是功率放大器線性化的方向。而隨著現(xiàn)代通信的發(fā)展，效率也開始越來越被關(guān)注。Doherty方法被認(rèn)為是提高效率最有前景的一種結(jié)構(gòu)。前饋與 Doherty結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)或者數(shù)字預(yù)失真與Doherty結(jié)合的結(jié)構(gòu)具有很大的價(jià)值。

1 Doherty功率放大器設(shè)計(jì)

1.1 Doherty功率放大器原理概述

Doherty結(jié)構(gòu)由2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類或者AB類，輔助功放工作在C類。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 ampli-fier)。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(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。由于主功放后面有了四分之一波長線，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1所示。

主功放工作在B類，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％。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)輔助功放也開始與主放大器一起工作(C類，門限設(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(流過負(fù)載的電流變大了)。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類功放的效率。單個(gè)B類功放的最大效率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。所以這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能達(dá)到很高的效率(每個(gè)放大器均達(dá)到最大的輸出效率)。

1.2 Doherty功率放大器設(shè)計(jì)

根據(jù)額定功率30 W，輸出增益50 dB，工作頻率2 110～2 170 MHz等作為設(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。

1.2.1 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，其市場占有率達(dá)到70％以上，而LDMOS器件也特別適用于 CDMA，W-CDMA，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50 dB，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，所以選擇功率放大器為兩個(gè)摩托羅拉的管子MRF21060，他們在最大功率工作時(shí)總的功率為120 W，回退1／4(6 dB)即得到30 W。

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類或則B類工作狀態(tài)下，而另一個(gè)管子的靜態(tài)工作點(diǎn)選擇在C類工作狀態(tài)下。

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2所示。

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)輔助放大器才開始工作，這樣才能達(dá)到相當(dāng)高的效率。

在此選擇MRF21060在AB類工作狀態(tài)時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)約在3.7 V處。選擇C類工作狀態(tài)時(shí)，選擇工作在2.1 V。兩種偏置狀態(tài)的靜態(tài)工作電流和電壓如圖3所示。

1.2.2 電路匹配設(shè)計(jì)

LOAD PULL(負(fù)載牽引技術(shù))測量方法能使設(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，這種方法稱為LOAD PULL。

LOAD PULL是基本的測試大功率功放管輸入輸出負(fù)載特性的方法，理論上來說LOAD PULL可以通過負(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)可以組成類似地圖的等高線的圓圖。如增益圓、等效率圓、等線形圓等，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30 dBm，則最大的功率附加效率為42.84％，最大的輸出功率為 14.34 dBm。選定最優(yōu)化的負(fù)載為3.530-j2.811。

可以使用摩托羅拉典型的參考電路進(jìn)行輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)。其推薦電路匹配值如表1所示。

Zsource=Test circuit impedance as measured from gate to ground

Zload=Test circuit impedance as measured from drain to ground

完成整個(gè)匹配電路之后，還要設(shè)計(jì)90°的合路器和帶90°偏移的阻抗變換器用來合成主輔放大器。

至此一個(gè)完整的Doherty功率放大器就設(shè)計(jì)完成了。

2 實(shí)驗(yàn)仿真

以下對(duì)整個(gè)Doherty功率放大器的仿真結(jié)果與普通的AB類功率放大器比較。如圖4，圖5所示。

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。

3 結(jié) 語

如所預(yù)期的一樣，Doherty功率放大器能有效地提高功率放大器的功率附加效率，但其線性度會(huì)變差。這與其中的輔助放大器工作在C類工作狀態(tài)下有關(guān)。所以在Doherty的基礎(chǔ)上一般都會(huì)另增加線性化電路，以提高功率放大器的線性度。