Doherty功率放大器研究与设计

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    射频功率放大器被广泛应用于各种无线通信发射设备中。线性功放在基站中的成本比例约占1／3，如何有效、低成本地解决功放的线性化问题显得非常重要。高效率高线性度的功放研究是一个热门课题，特别是近几年针对WCDMA功率放大器。目前国内能生产10 W以上的WCDMA功率放大器厂家只有少数几家公司，因为WCD-MA功率放大器对线性度的要求更高。而用普通的回退法生产的WCDMA功率放大器符合指标的只能做到几瓦，这个功率用在基站上是远远不够的，只能用在一般的小型直放站上。
功率放大器的线性度和效率是设计功率放大器的重点。在线性度方面，前馈结构是目前比较成熟的结构，广泛运用于现代通信系统中，数字预失真在业界则被认为是功率放大器线性化的方向。而随着现代通信的发展，效率也开始越来越被关注。Doherty方法被认为是提高效率最有前景的一种结构。前馈与Doherty结构相结合的结构或者数字预失真与Doherty结合的结构具有很大的价值。
1 Doherty功率放大器设计
1.1 Doherty功率放大器原理概述
Doherty结构由2个功放组成：一个主功放，一个辅助功放，主功放工作在B类或者AB类，辅助功放工作在C类。两个功放不是轮流工作，而是主功放一直工作，辅助功放到设定的峰值才工作（这个功放也叫作peak ampli-fier）。主功放后面的90°四分之一波长线是阻抗变换，目的是在辅助功放工作时，起到将主功放的视在阻抗减小的作用，保证辅助功放工作的时候和后面的电路组成的有源负载阻抗变低，这样主功放输出电流就变大。由于主功放后面有了四分之一波长线，为了使两个功放输出同相，在辅助功放前面也需要90°相移。如图1所示。



主功放工作在B类，当输入信号比较小的时候，只有主功放处于工作状态；当管子的输出电压达到峰值饱和点时，理论上的效率能达到78.5％。如果这时候将激励加大一倍，那么，管子在达到峰值的一半时就出现饱和了，效率也达到最大的78.5％，此时辅助功放也开始与主放大器一起工作（C类，门限设置为激励信号电压的一半）。辅助功放的引入，使得从主功放的角度看，负载减小了，因为辅助功放对负载的作用相当于串连了一个负阻抗，所以，即使主功放的输出电压饱和恒定，但输出功率因为负载的减小却持续增大（流过负载的电流变大了）。当达到激励的峰值时，辅助功放也达到了自己效率的最大点，这样两个功放合在一起的效率就远远高于单个B类功放的效率。单个B类功放的最大效率78.5％出现在峰值处，现在78.5％的效率在峰值的一半就出现了。所以这种系统结构能达到很高的效率（每个放大器均达到最大的输出效率）。
1.2 Doherty功率放大器设计
根据额定功率30 W，输出增益50 dB，工作频率2 110～2 170 MHz等作为设计指标要求：
要设计Doherty功率放大器，首先应该选择元器件，然后选择合适的静态工作点，设置偏置电路。再进行阻抗匹配，最后再设计90°的合路器把主辅功率放大电路合成。
1.2.1 功率放大器选择以及放大器偏置设计 根据指标要求，首先选定功率放大器。射频功率放大器主要选用摩托罗拉公司的LDMOS管，其市场占有率达到70％以上，而LDMOS器件也特别适用于CDMA，W-CDMA，TETRA、数字地面电视等需要宽频率范围、高线性度和使用寿命要求高的应用。另外由于总的放大器的输出增益要达到50 dB，所以应该选用多级功率放大器。
因为Doherty功率放大器的最高效率是在大约回退6 dB的时候达到，所以选择功率放大器为两个摩托罗拉的管子MRF21060，他们在最大功率工作时总的功率为120 W，回退1／4（6 dB）即得到30 W。
要设计Doherty功率放大器，就需要使其中一个管子工作在AB类或则B类工作状态下，而另一个管子的静态工作点选择在C类工作状态下。
对LDMOS管子的MRF21060进行静态工作点扫描，选定合适的静态工作点，如图2所示。



根据Doherty技术要求，功率放大器偏置的选择，应该使主放大器达到饱和的时候，这时辅助放大器才开始工作，这样才能达到相当高的效率。
在此选择MRF21060在AB类工作状态时，静态工作点约在3.7 V处。选择C类工作状态时，选择工作在2.1 V。两种偏置状态的静态工作电流和电压如图3所示。



1.2.2 电路匹配设计
LOAD PULL（负载牵引技术）测量方法能使设计者确定负载阻抗ZL．RF功率放大器在大信号工作时，晶体管的最佳负载阻抗会随着输入信号功率的增加而跟着改变，因此，必须在史密斯圆图上，针对不同的输入功率单位，每给定一个输入功率值就给绘出不同负载阻抗时的等输出功率曲线（power contours），帮助找出最大输出功率时的负载阻抗，这种方法称为LOAD PULL。
LOAD PULL是基本的测试大功率功放管输入输出负载特性的方法，理论上来说LOAD PULL可以通过负载的变化，得到各个负载下的特性，而相同特性如增益相等点可以组成类似地图的等高线的圆图。如增益圆、等效率圆、等线形圆等，得到这些信息后，就可以在设计中根据要求进行权衡设计。例如在具体的增益和线形要求下，可以找对应的等增益圆和等线形圆的交集区域的中点位置作为阻抗匹配的目标。 根据仿真结果：在指定的偏嚣下，如果输入信号为30 dBm，则最大的功率附加效率为42.84％，最大的输出功率为 14.34 dBm。选定最优化的负载为3.530-j2.811。
可以使用摩托罗拉典型的参考电路进行输入输出匹配电路的设计。其推荐电路匹配值如表1所示。



Zsource=Test circuit impedance as measured from gate to ground
Zload=Test circuit impedance as measured from drain to ground
完成整个匹配电路之后，还要设计90°的合路器和带90°偏移的阻抗变换器用来合成主辅放大器。
至此一个完整的Doherty功率放大器就设计完成了。
2 实验仿真
以下对整个Doherty功率放大器的仿真结果与普通的AB类功率放大器比较。如图4，图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类功率放大器附加效率提高了。
3 结语
如所预期的一样，Doherty功率放大器能有效地提高功率放大器的功率附加效率，但其线性度会变差。这与其中的辅助放大器工作在C类工作状态下有关。所以在Doherty的基础上一般都会另增加线性化电路，以提高功率放大器的线性度。