doherty功放技术介绍

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1、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

2、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Dohert y 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 A B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

3、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。Cl as$ AG b ias图I Doherty功率敘大器框凰主功放工作在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（

4、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

5、1102 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LDM OS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

6、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。亠4占*5言匚-?.口图2的薛态工作点扛描(V血二鯛V)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

7、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。2E二 swE:-lfsmlVOS=2B OOQOC1 DC Inul i=O.-12 7W CSS-3.700000戸OCVGS-hS&ODVMSQ.aYDS (VOHI加 MJtF2kDCLAS AB的星滿辞裔上作mlDC VJ CursesVOS Vofc*?ib：C= .At$ (的虫盃孕卉工作点J . 屮Hw - -t-1? IJ a-. - 口.L .5. J J .Ji-rI-圏J 讪氏陀口亡）的宜沆E怎工作虽1.2.2电路匹配设

8、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 con tours），帮助找出最大输出功率时的负载阻抗，这种 方法称为LOAD PULLoLOAD 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

9、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 d Bm。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。方L 摩枉黔检公司推荐的綸人/輛出的电踣匹配値J fl2“ F；5. 07-jc.2 IM匕塚-一丿“和2 i.7?i. tjjL 朗L 66-j2. 71厂惱汨八化，=犯WI

10、也PZsource=Test circuit impedanee as measured from gate to groundZload=Test circuit impedanee 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。图4 CLASS 功车威尢囂的功申附加效率斯真姑采囲5my功率就大器的功曜附加效年席農结枭可以看出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。