一种新型Doherty功率放大器的设计

功率放大器作为无线通讯系统中最大的耗能元件，其效率是一项重要设计指标。高的效率可以延长无线通讯系统中电池供电时间，节约能源，降低功放散热系统的设计复杂度，提高功放的稳定性，从而达到降低建设和运行成本的目的。Doherty功率放大器（DPA）作为一种高效率放大器^{[1] [2]}，有着实现方式简单、成本低廉和对系统线性度的影响较小的优点。因而，在现代无线通信技术中得到了广泛的研究和应用。

W-CDMA作为第三代无线通信主流标准之一，其信号的峰均比可达9dB。为保证其系统中功率放大器有较好的线性度，通常要求工作点要从输出饱和功率点回退9dB^[3]。由于传统二阶Doherty功率放大器的第一个峰值效率是在满输出功率回退6dB时得到，其变化范围小于9dB，因而直接用于W-CDMA无线通信系统时，DPA的效率并未达到最优。针对这种情况，本文仿真设计了一种新型DPA。ADS中的仿真结果表明，新型DPA相比于传统DPA，在更大输出功率回退情况下附加效率可以提升10%左右。

一、新型Doherty放大器设计

1、Doherty功率放大器工作原理

经典二阶Doherty功率放大器电路原理框图如图1所示。电路中有两个放大器，一般称之为主（载波）放大器和辅助（峰）放大器，它们由λ/4传输线隔开。主功放一般偏置在B类或AB类，辅助功放偏置在C类。主放大器上的λ/4传输线起阻抗变换作用，辅助放大器前的λ/4传输线起相位平衡作用。工作时，主从放大器的工作电压和工作电流如图2所示^{[4] [5]}

图1 Doherty放大器原理图

图2 主从放大器工作电压/电流曲线

假设主放大器工作在理想B类，其工作原理可以分成三个状态来描述^[6]：低功率输出状态，中等功率输出状态和满功率输出状态。

1)、低功率输出状态下，从放大器关闭，只有主放大器工作。因此，DPA系统效率在主放大器满输出功率时达到最大值（78.5%），即达到第一个峰值效率，此时的输入电压称为转折电压。由于四分之一传输线的作用，从主放大器输出端向λ/4传输线方向看成的输出阻抗RIN变为2Ropt，提高后到输出阻抗使得输出电压达到峰值电压时，输出电流却只有峰值电流的一半。因此，DPA达到第一个峰值效率时的输出功率相对于满功率输出功率而言，回退了6dB。

2)、中等功率输出状态下，主放大器输出电压达到饱和，适当的偏置使得从放大器开始工作。随着输入功率的增加，从放大器输出电流增加。由有源负载牵引技术可知，Rout增加，RIN减小。这使得主放大器输出电压基本保持不变，不会产生过饱和，同时主放大器输出电流继续增加，主放大器效率保持最大值。由于从放大器工作电流未达到最大，故DPA系统效率有所下降，但是依然维持在较高水平。

3)、满功率输出状态下，主从放大器都以最佳匹配阻抗形式达到饱和输出， DPA系统达到最大功率输出，系统效率也达到单个理想B类放大器的最大效率值（78.5%），即第二个峰值效率。

2、器件选择要求

传统Doherty功率放大器工作时，主放大器的输出电压可用式（1）表示：
                           （1）

图中V_T为转折点输入电压， V_in-max为最大输入电压，二者关系为V_T=αV_in-max，V_m为信号输入电压，I_m为主放大器工作电流， I_p为从放大器工作电流， I_{max_m}为主放大器最大输出电流， I_{max_p}为从放大器最大输出电流。那么根据图2，得到主放大器三种工作状态下的输出电压V_m表达式如下：

1）V_inT时：
                                     （2）
                   （3）
2）V_T< V_inmax_m时：
                                 （4）
3）V_in=V_in-max时：
                         （5）
故有
                  （6）
化简得    
                               （7）

上式表明，从放大器的功率容量需要是主放大器功率容量的（1/α-1）倍。例如，α=0.5（DPA功率回退6dB）时，从放大器功率容量和主放大器功率容量相等;α=0.35（DPA功率回退为9dB）时，则要求从放大器功率容量是主放大器功率容量的1.82倍。

3、新型Doherty电路设计

由上节的分析可知，更大的功率回退意味着主放大器将在更低的输入功率下产生饱和，即α取值更小。因此，在使用单个Push-Pull类型或者两个相同型号的Single-End类型放大管设计DPA时，只要主功放漏极电压小于从功放漏极电压，就可以使主放大器的输出饱和功率效率从放大器输出饱和功率，从而可以等效地视主从放大器有不同的功率容量，符合器件选择要求。本文采用两只Freescale功放管MRF6S21050L来实现新型DPA的设计。

为确保主放大器工作在AB类，从放大器工作在C类，需要选择合适的静态工作点。为此，对功放管MRF6S21050L进行静态工作点扫描，结果如图3所示。根据扫描结果，新型DPA的静态工作点设置如下：主放大器栅极电压取2.7V，漏极电压取22V，漏极电流512mA，管子工作在AB类；从放大器栅极电压取1.7V，漏极电压取器件文档推荐值28V，漏极电流近似为零，管子工作在C类。

图3 MRF6S21050静态工作点扫描结果

在确定主从放大器的静态工作点后，就可利用ADS软件提供的负载牵引（Load Pull）功能来确定放大器的最优输入输出阻抗。然后根据得到的最优阻抗值进行放大器的输入输出匹配电路设计。虽然主从放大器使用了相同的管子，但由于它们的漏极偏置电压不同，因此主从放大器的匹配电路需要独立进行设计。完成整个匹配电路之后，根据传统DPA电路结构，就可以完成新型DPA电路的设计。

4、仿真结果

图4是主放大器电路在栅极电压保持2.7V，漏极电压分别取28V和22V时的输出功率仿真结果。可见，降低主放大器漏极偏置电压后，主放大器的输出饱和功率降低了2.6dB。如此一来，可以等效地视从放大器功率容量为主放大器功率容量的1.82倍，满足DPA系统中α取值0.35（DPA功率回退为9dB）时对主从功放功率容量的要求。

图4 主放大器不同漏极电压下输出功率仿真结果

图5 新型DPA和传统DPA附加效率仿真结果

图5是新型DPA电路和传统DPA电路的附加效率仿真结果。其中，传统DPA电路的静态工作点设置为：主从放大器的漏极偏置电压都取28V，主放大器栅极电压取2.7，从放大器栅极电压取1.7V，且主从放大器的匹配电路相同。由图可见，新型DPA电路相比于传统DPA，可以在功率回退9dB处就达到第一个峰值效率，且在中等输出功率时放大器附加效率也可以提升10%左右。

然而，在实际设计中还需要折中考虑，比如漏极电压降低后会导致放大器增益下降，高功率输出时的效率也有所下降。由于新型DPA中的主放大器提前进入饱和，所以相比于传统DPA，新型DPA的最大输出功率略为降低。

二、结论

如预期结果一样，降低主放大器的漏极偏置电压可以降低主放大器输出饱和功率，因而可采用相同放大管来设计α值更小的DPA电路。由此方法设计出的新型DPA电路相比于传统DPA，可以在更大输出功率回退情况下出现第一个效率峰值，而且在中等输出功率阶段，附加效率也有10%左右的提升。

作者：邓国康 秦开宇，电子科技大学

参考文献

[1] I. Takenaka, K.Ishikura, H.Takahashi, et al. A 330W Distortion-Cancelled Doherty 28V GaAs HJFET Amplifier with 42% Efficiency for W-CDMA Base Stations. 2006 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 1344-1347
[2] K.Horiguchi, S. Ishizaka, T. Okano, et al. Efficiency Enhancement of 250W Doherty Power Amplifiers Using Virtual Open Stub Techniques for UHF-band OFDM Applications. 2006 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig.: 1356-1359
[3] Kyoung-Joon Cho, Jong-Heon Kim, Shawn P.Stapleton. A Highly Efficient Doherty Feedforward Linear Power Amplifier for W-CDMA Base-Station Applications. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, 2005, VOL. 53 , NO. 1: 292-300
[4] W.H.DOHERTY. A NEW HIGH EFFICIENCY POWER AMPLIFIER FOR MODULATED WAVES. Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Volume 24, Number 9, 1936: 1163-1182
[5] Jangheon Kim, Jeonghyeon Cha, Ildu Kim, et.al. Optimum operation of asymmetrical-cells-based linear Doherty power Amplifiers-uneven power drive and power matching. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, NO. 5, 2005: 1802-1809
[6] Peter B. Kenington.High-Linearity RF Amplifier Design. London: Artech House, 2000: 493-506

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