Doherty功率放大器設計與仿真分析

2020-11-22 電子發燒友

射頻功率放大器被廣泛應用於各種無線通信發射設備中。線性功放在基站中的成本比例約佔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熱門課題，特別是近幾年針對WCDMA功率放大器。目前國內能生產10 W以上的WCDMA功率放大器廠家只有少數幾家公司，因為WCD-MA功率放大器對線性度的要求更高。而用普通的回退法生產的WCDMA功率放大器符合指標的只能做到幾瓦，這個功率用在基站上是遠遠不夠的，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計功率放大器的重點。在線性度方面，前饋結構是目前比較成熟的結構，廣泛運用於現代通信系統中，數字預失真在業界則被認為是功率放大器線性化的方向。而隨著現代通信的發展，效率也開始越來越被關注。Doherty方法被認為是提高效率最有前景的一種結構。前饋與 Doherty結構相結合的結構或者數字預失真與Doherty結合的結構具有很大的價值。

1 Doherty功率放大器設計

1.1 Doherty功率放大器原理概述

Doherty結構由2個功放組成：一個主功放，一個輔助功放，主功放工作在B類或者AB類，輔助功放工作在C類。兩個功放不是輪流工作，而是主功放一直工作，輔助功放到設定的峰值才工作（這個功放也叫作peak ampli-fier）。主功放後面的90°四分之一波長線是阻抗變換，目的是在輔助功放工作時，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候和後面的電路組成的有源負載阻抗變低，這樣主功放輸出電流就變大。由於主功放後面有了四分之一波長線，為了使兩個功放輸出同相，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，當輸入信號比較小的時候，只有主功放處於工作狀態；當管子的輸出電壓達到峰值飽和點時，理論上的效率能達到78.5％。如果這時候將激勵加大一倍，那麼，管子在達到峰值的一半時就出現飽和了，效率也達到最大的78.5％，此時輔助功放也開始與主放大器一起工作（C類，門限設置為激勵信號電壓的一半）。輔助功放的引入，使得從主功放的角度看，負載減小了，因為輔助功放對負載的作用相當於串連了一個負阻抗，所以，即使主功放的輸出電壓飽和恆定，但輸出功率因為負載的減小卻持續增大（流過負載的電流變大了）。當達到激勵的峰值時，輔助功放也達到了自己效率的最大點，這樣兩個功放合在一起的效率就遠遠高於單個B類功放的效率。單個B類功放的最大效率78.5％出現在峰值處，現在78.5％的效率在峰值的一半就出現了。所以這種系統結構能達到很高的效率（每個放大器均達到最大的輸出效率）。

1.2 Doherty功率放大器設計

根據額定功率30 W，輸出增益50 dB，工作頻率2 110～2 170 MHz等作為設計指標要求：

要設計Doherty功率放大器，首先應該選擇元器件，然後選擇合適的靜態工作點，設置偏置電路。再進行阻抗匹配，最後再設計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計 根據指標要求，首先選定功率放大器。射頻功率放大器主要選用摩託羅拉公司的LDMOS管，其市場佔有率達到70％以上，而LDMOS器件也特別適用於 CDMA，W-CDMA，TETRA、數字地面電視等需要寬頻率範圍、高線性度和使用壽命要求高的應用。另外由於總的放大器的輸出增益要達到50 dB，所以應該選用多級功率放大器。

因為Doherty功率放大器的最高效率是在大約回退6 dB的時候達到，所以選擇功率放大器為兩個摩託羅拉的管子MRF21060，他們在最大功率工作時總的功率為120 W，回退1／4（6 dB）即得到30 W。

要設計Doherty功率放大器，就需要使其中一個管子工作在AB類或則B類工作狀態下，而另一個管子的靜態工作點選擇在C類工作狀態下。

對LDMOS管子的MRF21060進行靜態工作點掃描，選定合適的靜態工作點，如圖2所示。

根據Doherty技術要求，功率放大器偏置的選擇，應該使主放大器達到飽和的時候，這時輔助放大器才開始工作，這樣才能達到相當高的效率。

在此選擇MRF21060在AB類工作狀態時，靜態工作點約在3.7 V處。選擇C類工作狀態時，選擇工作在2.1 V。兩種偏置狀態的靜態工作電流和電壓如圖3所示。

1.2.2 電路匹配設計

LOAD PULL（負載牽引技術）測量方法能使設計者確定負載阻抗ZL．RF功率放大器在大信號工作時，電晶體的最佳負載阻抗會隨著輸入信號功率的增加而跟著改變，因此，必須在史密斯圓圖上，針對不同的輸入功率單位，每給定一個輸入功率值就給繪出不同負載阻抗時的等輸出功率曲線（power contours），幫助找出最大輸出功率時的負載阻抗，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載特性的方法，理論上來說LOAD PULL可以通過負載的變化，得到各個負載下的特性，而相同特性如增益相等點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，得到這些信息後，就可以在設計中根據要求進行權衡設計。例如在具體的增益和線形要求下，可以找對應的等增益圓和等線形圓的交集區域的中點位置作為阻抗匹配的目標。 根據仿真結果：在指定的偏囂下，如果輸入信號為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。選定最優化的負載為3.530-j2.811。

可以使用摩託羅拉典型的參考電路進行輸入輸出匹配電路的設計。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

完成整個匹配電路之後，還要設計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。

至此一個完整的Doherty功率放大器就設計完成了。

2 實驗仿真

以下對整個Doherty功率放大器的仿真結果與普通的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 語

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

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