高效Doherty功放在数字电视前端发射机中的应用

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摘要：数字电视发射机是采用OFDM调制方式，因此对发射机中功率放大器的效率会提出非常高的要求。针对OFDM信号的高峰均比(PAPR)特性，将Doherty功放引入前端功率放大器，介绍了Doherty功放的原理和基本结构，通过计算机仿真验证了这种功放电路在数字电视发射系统中的应用效果，设计了具体的实际电路，并进行测试，取得实际的结果。结果表明所设计的Doherty功放很好地解决了目前数字电视前端发射机存在的效率低的问题，具有很大的实用性。
关键词：数字电视；Doherty；数字电视发射机；功率放大器
0 引言
    OFDM信号频谱利用率高，抗码间串扰(ISI)性能强，它将是第4代移动通信的核心技术。由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号叠加而成，合成信号有可能产生很高的峰值平均功率比(PAPR)，当该信号通过非线性高功率放大器时，功率放大器的非线性特性会使信号产生严重的畸变，使各子载波间正交性被破坏，产生载波间串扰(ICI)，高效率的功率放大器也就成为OFDM系统的重点。目前，采用Frees-
cale公司的MRF9060进行设计的前馈功率放大器，其效率可以达到30％。而Doherty功放，由于其工作在C类，理论上其效率可以达到75 ％，因此在移动通信前端功放中得到广泛应用。Doherty功放结合预失真技术使用在数字电视前端系统中，使得数字电视前端功放的效率得到进一步的提高，与原来的前馈相比，实际工作效率至少可以提高10％，因此，Doherty功放在数字电视前端系统中的应用也将越来越广泛。本次设计主要介绍Doherty功放在数字电视前端发射系统中的应用，以提高前端发射系统的效率。
1 Doherty功率放大器原理概述
    Doherty功率放大器是一种专门针对非恒定包络的调制信号的高效线性功率放大器，由美国Bell实验室的射频工程师W．H．Doherty于1936年首次提出。其原理如图1所示。




    Doherty放大器主要由载波放大器和峰值放大器两个功率放大单元组成。信号从放大器的输入端进入，经过功分器分成两路分别输入载波放大器和峰值放大器。经过放大器之后两路信号最终在末端直接耦合输出。Doherty功率放大器的最主要的特点在于它有两个结构相同，静态工作点偏置不同的放大单元，通常将载波放大器设置成AB类放大器，而峰值放大器的偏置设置为C类放大器。Doherty放大器的另一个特点是载波放大器和峰值放大器的结构和半导体特性的一致性要求很高。
                          
                       
                          
                               
    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联了一个负阻抗，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)。
2 利用计算机软件仿真Doherty功率放大器
    在微波电路仿真中，ADS软件相对比较成熟。这里就是利用ADS仿真软件来实现全匹配的Doherty功率放大器仿真。图2是系统仿真示意图。




    图3是Doherty功率放大器传输功率增益和效率的仿真结果图。




                          
                       
                          
                               
    从传输效率增益可以看出该放大器功率在15 dB，其P1dB在49 dBm，P3dB压缩点达到50 dBm，从效率图上可以明显看出在功率回退P6dB的效率达到52％，远高于传统的AB类放大器，这充分体现了Doherty功率放大器的优点。
3 Doherty功率放大器实际电路设计
    根据理论分析，设计了Doherty功率放大器实际应用电路。采用的是飞思卡尔公司的功率放大器芯片。具体设计电路如图4所示。




4 实验验证和测试结果分析
    对于一般的RF板材，其介电常数会随着放大器工作时发热导致的温度变化而变化，从而导致整个电路损耗也不稳定，影响电路性能。因此采用RF35型号板材作PCB电路板，其介电常数在放大器工作时发热导致的温度变化比较稳定。利用频谱分析仪和频率信号发生器，对功率放大器进行测试，得出的测试结果为Doherty功率放大器在输出功率36 dBm的情况下，效率为28％，实际测试结果与仿真结果有一定的差距，但
总体上结果还是较为吻合的，如图5所示。




5 结语
    将Doherty功率放大器引入数字电视前端发射机系统，大大提高了前端发射系统的效率，通过结合相应的线性化技术，比如前馈技术，就可以使得数字电视前端发射机的整机性能在效率和线性度上得到充分的保证。通过测试结果表明，Doherty技术能够较好地满足现代无线通信系统对功率放大器的要求，将有非常广阔的应用前景。