Doherty功率放大器研究与实现

胡宁加，周祖望，高金萍，周世军

（武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北武汉 430074）

Doherty功率放大器研究与实现

胡宁加，周祖望，高金萍，周世军

（武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北武汉 430074）

在无线通信系统中，功率放大器的性能是否优良将直接影响整个通信基站的性能。介绍了一种工作频段在1 037～1 057 MHz采用Doherty结构的高效率功率放大器的仿真和设计过程。通过对其原理的理论推导，结合仿真对性能的分析。最终测试的结果显示实际输出效率39.7%，输出功率44 dBm。测试结果证实本设计能够满足在通信系统中的应用，显示Doherty架构比传统的回退技术具有更高的效率。

功率放大器;效率;Doherty结构

无线通信发展迅速，高效率、高速率是无线系统的迫切需求。在无线通信中，射频系统是其重要的部分，功率放大器作为射频系统的前端模块，它的成本大约占到基站的1/3;功耗占整个基站的70%。因此高效率功率放大器的设计成为无线通信系统中的难点和重点。Doherty功放配合预失真技术，在高峰均比条件下能兼顾线性放大和高效率，因此Doherty功放结构被各大通信设备商使用。本文介绍一种通过ADS软件仿真来设计Doherty放大器的方法。

1 Doherty技术原理

传统功率放大器设计采用功率回退的方法，但牺牲了功放的效率［1］。在现在的通信射频系统中，大多数都采用多载波调制技术，高的峰均必使回退的线性放大器设计效率极低，通常只有15%左右。Dohert结构功放配合数字预失真技术可以很好地提升功率效率，效率可以提升到35%以上。

1.1 Doherty结构放大器工作模式简介

久负盛名的贝尔实验室的W.H.Doherty先生提出的Doherty结构方案近年来逐渐被通信厂商所采用［2］。Doherty结构的功率放大器由两个工作在不同状态的放大器所组成，一个是主放大器，工作在AB类，一个是从放大器（也称峰值放大器），工作在C类状态下［3］。输入的射频信号由功分器进行信号的分路，然后再将主放大器的输出信号和峰值放大器输出的信号进行合路。以此来获得高效率。Doherty结构电路如图1所示，两个放大器由1/4波长微带线进行连接，主放大器连接的1/4波长微带线作用是进行阻抗的变换，峰值放大器连接的1/4波长微带线的作用是平衡输出端两路信号的相位。主放大器输出功率接近极限时，峰值放大器开始输出电流。以此来减小主放大器的输出阻抗［4－5］。采用上述方案可以使Doherty结构放大器的主放大器在饱和功率输出点回退6 dB时，依然可以获得输出饱和功率一样的效果。

图1 功放Doherty结构原理框图

1.2 Doherty原理推导

Doherty功率放大器电路图如图2所示。

图2 Doherty结构电路图

根据图2可得

式中:V1I1=V2I2。

根据参量矩阵有

将式（4）代入式（1）、（2）可得

将式（5）代入式（3）可得

则主功放管输出电压为

将式（8）化简得到

若V1保持没有变化，主放大器输出电流为Imax/2时，要想满足放大器的输出功率与输出峰值功率相同的效率时，就必须满足ZTL=2Zload。即1/4波长微带线阻抗为负载阻抗的2倍。与此同时，主放大器的输出阻抗在1/4波长微带线的作用下，阻抗值是未转换前的2倍［6］。主放大器在进行峰值功率输出时，电流输出为峰值电流的一半［7］。

2 功率放大器的仿真与设计

系统要求功放模块输出功率25 W，中心频点1 047 MHz，频带带宽20 MHz，峰均比 7.5 dB。基于设计要求，在设计时，器件选型上双管功率在120～150 W的功放管，但这个功率等级且又能工作在1 047 MHz的放大管很少。FREESCALE公司的MRFE6S9060工作频率较接近，但MRFE6S9060 DATASHEET中的频率使用范围为820～980 MHz。如果没有芯片厂商官方的技术支持，为确定功率放大器是否能工作在需要的频率，传统的方法需要在评估板上去调试，调试方向比较盲目，调试结果的说服性也有限。为评估该管是否能超频使用，这里使用安捷伦公司ADS仿真软件对功放管单管做负载牵引仿真，仿真结果作为选管依据。

2.1 单管负载牵引仿真原理图和仿真结果

负载牵引是功率放大器得到最佳负载阻抗的方法，但其试验设备复杂昂贵。本文采用软件仿真来得到功放进行负载牵引，负载牵引仿真原理图如图3所示。这种方法可以得到最佳的输出功率点和最佳效率点。从仿结果来看（如图4），最佳功率点阻抗为Z=2.946 － j0.007，其输出功率为49.5 dBm;最佳效率点的阻抗Z=1.3+j1.6，此时功放管效率为 74.62%。MRFE6S9060可以在1 047 MHz使用。在这里选取最大功率阻抗ZLoad=2.946－j0.007作为输出阻抗，此时功放管在输出49.5 dBm时效率为56.1%。

图3 负载牵引仿真原理图

图4 负载牵引仿真结果（截图）

2.2 单管增益仿真和3 dB压缩点仿真

通过ADS的匹配工具，得到功率放大器所需要的输出阻抗和其相对应的输入阻抗。以下为仿真放大管的单管增益和压缩点仿真结果。放大器大信号增益仿真原理图如图5所示。

图5 放大器大信号增益仿真原理图

从图6的仿真结果可以得知，在放大器进行小信号输入时，放大器增益20.1 dB。随着输入功率逐渐增大，放大器进入到了功率饱和状态，增益逐步压缩。根据放大器3 dB压缩点的定义，增益下降3 dB时功放管的输出功率即为放大器功率3 dB压缩点。该功放管3 dB压缩点输出功率48.6 dBm，满足系统指标的要求。

2.3 Doherty结构合路设计

在本文中Doherty功放结构的主功放管和峰值功放管是同一型号的功放管，匹配电路基本相同（区别就在于栅极电压不同），功率容量为单管的两倍，在理论上双管的合路功率为51.6 dBm。

3 功率放大器性能测试

图6 功放管3 dB压缩点仿真结果

在完成上述电路设计后，利用信号源和频谱分析仪对功率放大器性能指标进行测试。主功放管栅极2.6 V，漏极电压28 V，后级峰值功放管放大器栅极电压1.4 V，漏极电压28 V。实际测试结果是下行增益18 dB，输出44 dBm。在28 V状态下，电源显示电流2.23 A，效率39.7%。虽然隔离器和3 dB电桥损耗了一部分功率，但是基本符合预期要求。功率放大器实物如图7所示。

图7 Doherty功放实物图

ACPR（邻信道功率比）常定义为邻频率信道（或偏移量）的平均功率和发射频率信道的平均功率之比。在功率放大器ACPR测试中，采用峰均比为7.5的源进行测试。整个Doherty放大器在输出44 dBm（25 W）的时候，间隔载波－20 MHz的 ACPR为－36.2 dBc，间隔载波+20 MHz的 ACPR为－35.9 dBc。间隔载波－40 MHz的 ACPR为－52.2 dBc，间隔载波+40 MHz的 ACPR为－50.4 dBc。结合其他的线性化技术，比如DPD数字预失真等，可以改善它的线性度。

本文通过观测调制信号的互补累计分布函数（Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF）来读取放大管的3 dB压缩点，如图8所示。输入信号的PAR=10.4 dB（图8a中0.01%点），随着输入信号的增加，峰值功率接近饱和状态，当PAR=7.65 dB（图8b中0.01%点）时，对应的PEAK功率即为功放的3 dB压缩点。从实测结果来看，功放的3 dB压缩点为52.5 dBm。实测结果和仿真结果非常接近，设计满足系统要求。

图8 功放3 dB压缩点测试结果图（截图）

4 小结

相比于其他效率增强技术，如包络跟踪（Envelope Tracking，ET），包络分离和恢复（Envelope Elimination and Restoration，EER）以及开关类（Class F）功放，Doherty 功放在目前有着很大的优势:毋需外围复杂的包络控制电路，与DPD线性化技术配合相得益彰，采用动态负载牵引技术，电路实现相对简单且能保证一定的线性［8］。本文通过对Doherty功率放大器的工作原理进行了描述，以及运用ADS仿真软件对放大器进行了仿真验证。测试结果显示软件仿真得到的结果在实际运用中吻合度很高，仿真结果对实际的功率放大器开发具有指导作用。

:

［1］李俊，谭秋林，崔永俊，等.基于AD9910的高频多模信号发生器的设计［J］.电视技术，2012，36（9）:51－53.

［2］GREBENNIKOV A.射频与微波功率放大器设计［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［3］曹俊文.宽带实时脉冲压缩技术研究与实现［M］.武汉:华中科技大学，2008.

［4］吴琦.基于Doherty理论的L波段40 W功放研究［J］.电子科技大学学报，2011（5）:55－57.

［5］陈会，张玉兴.基于多谐波双向牵引技术的微波功率放大器设计［J］.微波学报，2010，24（3）:57－60.

［6］WONGKOMET N.A+31.5 dBm CMOS RF Doherty power amplifier for wireless communications［J］.IEEE Journal of Solid －State Circuits，2009，41（12）:2852－2859.

［7］LUDWIG R，BRETCHKO P.RF circuit design:theory and applications［M］.Princeton:Prentice Hall，2000.

［8］YANG Y，YI J，WOO Y Y，et al.Optimum design for linearity and efficiency of microwave Doherty amplifier using a new load matching technique［J］.Microwave Journal，2011，44（12）:20－36.

周祖望（1970— ），硕士生导师，主研移动通信测试技术等;

高金萍（1966— ），女，高级工程师，主研射频小信号;

周世军（1978— ），高级工程师，主研第四代通信技术。

Design and Realization of Doherty Power Amplifier

HU Ningjia，ZHOU Zuwang，GAO Jinping，ZHOU Shijun

（Wuhan Hongxin Telecom Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）

In a wireless communication system，the capability of the power amplifier would directly affect the performance of the entire base station.The process simulation and design of the high efficiency Doherty power amplifier is proposed which is working between the band of 1 037 MHz and 1 057 MHz.Derived by its principles theory，combined with the analysis of simulation result，the final test results show that the actual output efficiency is 39.7%，the output power is 44 dBm.Test results confirm that the present design is able to meet the application in a communication system，the display Doherty architecture has a higher efficiency than the conventional fallback technology.

power amplifier;efficiency;doherty structure

TN722.75

A

【本文献信息】胡宁加，周祖望，高金萍，等.Doherty功率放大器研究与实现［J］.电视技术，2013，37（13）.

国家科技重大专项（2012ZX03001035）

胡宁加（1987— ），硕士生，主研功率放大器;

责任编辑:魏雨博

2012－11－12