大功率高效Doherty功率放大器的研究与设计

2011-10-25肖柯

大众科技 2011年3期

关键词：高效率电子科技工程学院

肖柯

（电子科技大学电子工程学院，四川成都 611731）

大功率高效Doherty功率放大器的研究与设计

肖柯

（电子科技大学电子工程学院，四川成都 611731）

随着无线通信系统新标准新技术的发展,日益要求提高微波固态功率放大器的性能，使之在更宽的频带内具有更高的输出功率、效率以及线性度。在第三代无线通信系统中，由于采用了非恒包络调制方式，其峰均值相差较大，往往达到8～10dB。为了保证信号的线性度，一般采用功率回退的方法来实现。但是这样的方案是以牺牲效率为代价。1936年Doherty提出的高效率方案能够很好解决这一难题，Doherty技术能够使放大器在很宽的功率变化范围内保持高效率输出。

功率放大器；Doherty；线性度；效率

（一）引言

在现代无线通讯的发展中，由于无线带宽有限，而导致带宽异常紧张，各种新的调制技术，如QPSK,QAM,OFDM 等都采用了复杂的调制方式来减少带宽的占用，在这些技术的应用中，恒包络调制方式被摈弃，射频信号的峰值和平均值相差较大，功率放大器有着很大的输出动态围,这对放大器的线性度提出了很高的要求，而线性度的提升往往以功率回退的形式来得以实现，而功率回退必然会导致放大器效率的急剧降低。即便现今的预失真和前馈等线性化技术得到了长足的发展，一定程度的减少了放大器功率回退的度,但考虑到可靠性等因素，功率放大器必须降额使用，也会导致功率放大器效率的降低,而效率对于功率放大器而言是一个及其重要的指标，功率放大器作为无线通讯系统中最大的耗能元件，效率的高低直接关系着功率放大器和整个系统的稳定性。更高效率的功放不仅能够节省电费，还可以节省电源等配套设施的投资，而且可以使生产工艺的简化，降低了整机散热的要求，增加了设备的稳定性，使网络性能更好。

Doherty 结构的放大器可以较好的解决功率放大器在功率回退时效率提升的问题，结合前馈和预失真电路，可以在线性度和效率之间做到较好的兼顾，Doherty 电路的基本原理是将输入信号的平均部分和峰值部分分开放大，然后合成，从而获得高效率。本文以Freescale公司的110W晶体管为模型，在ADS仿真软件中设计对称Doherty仿真电路。设计完成的功放电路能够在6dB功率范围内保持高效率工作。

（二）Doherty结构功放的基本原理

Doherty结构的概念最早由贝尔实验室的 W.H.Doherty提出。基本的Doherty电路如图1所示，由两个平行放大器构成，一个主功放，又称载波功放，另一个是辅助功放，又称峰值功放。其中，主功放偏置在AB类，辅助功放偏置在C类。主功放后面和辅助功放前面各有一段λ/4的微带线，分别起阻抗变化的作用和相位平衡的作用。两支路经由一段微带线进行合路并将放大后的信号输出。当主放大器接近饱和时辅助放大器输出电流，由此减小的主放大器的输出阻抗，这样就能让主放大器在达到饱和时输出更多的电流，这种现象可以用“有源负载牵引”的理论来解释。采用此方法可以使主放大器在饱和输出点处功率回退 6dB的情况下获得和输出饱和功率一样的效率。

图1 Doherty结构框图

Doherty功率放大器的工作原理可以被分为三个模式，分别是低功率输出模式、中等功率输出模式、大功率输出模式。

图2.a 低功率模式

图2.b 中等功率模式

图2.c 大功率模式

低功率输出模式，即输入功率不足以使主功放输出达饱和输出。此时只有主放大器在工作，所有信号都是经由主放大器进行放大，此时主放大器可以看作是一个受控电流源。辅放大器没有打开工作，所以辅放大器对输出端呈现高阻状态，可近似认为开路，如图 2.a所示。辅功放的开路状态使得主放大器的输出阻抗是两倍的Ropt。这个高阻抗使得主放大器在输出电流仅有最大值的一半的时候电压就接近饱和了，此时系统在没有输出最大功率的情况下已经拥有了较高的效率。

中等功率输出模式，当输入功率继续增加，使得功放输出达到饱和输出功率回退 6dB的时候。此时主放大器电压达到饱和，峰值放大器可以看作是一个受控电流源，主放大器可看作是一个受控电压源。如图 2.b所示，根据动态负载牵引技术，由于辅助放大器电流的上升使得主功放输出端λ/4波长线后面的阻抗增加，由于λ/4变换线的阻抗变换作用，主功放输出端阻抗由2Ropt向 Ropt变换，这使得在漏极电压不变的情况下，主功放能够输出更大的功率，而同时由于主功放在电压饱和的状态下，系统的效率较高。随着输入功率的进一步加大，在辅助放大器没有饱和之前，整体效率仍将保持在较高的水平。

输入功率继续加大，输出功率小于饱和功率回退6dB后，达到大功率输出模式，辅助放大器线性工作。如图2.c所示，功放饱和后，主放大器和辅助放大器都达到最大输出功率，在负载牵引的作用下，主、辅功放输出阻抗均为Ropt。而且辅放大器也达到了最高的效率，整个系统效率也达到的最高。

（三）Doherty功率放大器设计

本文电路设计主要针对的应用方向为 WCDMA基站功率放大器，设计要求则定为：工作频段2110～2170MHz，平均输出功率为40W，峰值功率为160W，PAE为40%，增益为16dB。

Doherty功放电路采用 freescale公司的 110W晶体管MRF7S21110HR3作为仿真模型。而仿真工具为安捷伦公司的ADS（Advance Design System）仿真软件。在选定晶体管之后，先对管子进行直流仿真来确定管子的工作状态。选定工作电压为28V，栅极电压为2.9V，漏极静态电流为1A。接下来用Loadpull和Sourcepull技术对晶体管进行扫描，确定输入和输出的最佳匹配点 Zsource和 Zload，最后分别将输入输出匹配到50Ω。匹配电路的设计也是在ADS软件中完成的，匹配电路的设计尽可能满足插损小、驻波反射小的要求。

图3 Loadpull仿真结果

图4 Sourcepull仿真结果

图5 利用Smith圆图设计输入匹配电路

图6 输出匹配电路设计

图7 完整的单级电路设计结果

（四）Doherty结构设计与仿真

设计中功分选用Hybrid90模型，一路输出与输入相位差为 0°，接主功放，另外一路延迟 90°，接辅助功放。经过反复调试和仿真，最终确定辅助功放偏置在1.6V，漏极电压为 28V。主功放后的四分之一长阻抗变换线只有 17.2mm，未达到四分之一的长度，这个长度主要是取决于负载牵引的效果，同时供电电路上的微带线长度也需要优化，达到对效率和功率的最小影响。从仿真结果可以看出输入信号在比较大的动态范围内 Doherty功率放大器的效率能够保持在一个比较高的水平。