射頻功率放大器被廣泛應(yīng)用于各種無(wú)線(xiàn)通信發(fā)射設(shè)備中,。線(xiàn)性功放在基站中的成本比例約占1／3，如何有效,、低成本地解決功放的線(xiàn)性化問(wèn)題顯得非常重要,。高效率高線(xiàn)性度的功放研究是一個(gè)熱門(mén)課題，特別是近幾年針對(duì)WCDMA功率放大器,。目前國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)10 W以上的WCDMA功率放大器廠家只有少數(shù)幾家公司,，因?yàn)閃CD-MA功率放大器對(duì)線(xiàn)性度的要求更高。而用普通的回退法生產(chǎn)的WCDMA功率放大器符合指標(biāo)的只能做到幾瓦,，這個(gè)功率用在基站上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,，只能用在一般的小型直放站上。

　　功率放大器的線(xiàn)性度和效率是設(shè)計(jì)功率放大器的重點(diǎn),。在線(xiàn)性度方面,，前饋結(jié)構(gòu)是目前比較成熟的結(jié)構(gòu)，廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,，數(shù)字預(yù)失真在業(yè)界則被認(rèn)為是功率放大器線(xiàn)性化的方向,。而隨著現(xiàn)代通信的發(fā)展,，效率也開(kāi)始越來(lái)越被關(guān)注。Doherty方法被認(rèn)為是提高效率最有前景的一種結(jié)構(gòu),。前饋與Doherty結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)或者數(shù)字預(yù)失真與Doherty結(jié)合的結(jié)構(gòu)具有很大的價(jià)值,。

　　1 Doherty功率放大器設(shè)計(jì)

　　1.1 Doherty功率放大器原理概述

　　Doherty結(jié)構(gòu)由2個(gè)功放組成：一個(gè)主功放，一個(gè)輔助功放,，主功放工作在B類(lèi)或者AB類(lèi),，輔助功放工作在C類(lèi)。兩個(gè)功放不是輪流工作,，而是主功放一直工作,，輔助功放到設(shè)定的峰值才工作（這個(gè)功放也叫作peak ampli-fier）。主功放后面的90四分之一波長(zhǎng)線(xiàn)是阻抗變換,，目的是在輔助功放工作時(shí),，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(shí)候和后面的電路組成的有源負(fù)載阻抗變低,，這樣主功放輸出電流就變大,。由于主功放后面有了四分之一波長(zhǎng)線(xiàn)，為了使兩個(gè)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(lèi),，當(dāng)輸入信號(hào)比較小的時(shí)候,，只有主功放處于工作狀態(tài)；當(dāng)管子的輸出電壓達(dá)到峰值飽和點(diǎn)時(shí),，理論上的效率能達(dá)到78.5％,。如果這時(shí)候?qū)⒓?lì)加大一倍，那么,，管子在達(dá)到峰值的一半時(shí)就出現(xiàn)飽和了,，效率也達(dá)到最大的78.5％，此時(shí)輔助功放也開(kāi)始與主放大器一起工作（C類(lèi),，門(mén)限設(shè)置為激勵(lì)信號(hào)電壓的一半）,。輔助功放的引入，使得從主功放的角度看,，負(fù)載減小了,，因?yàn)檩o助功放對(duì)負(fù)載的作用相當(dāng)于串連了一個(gè)負(fù)阻抗，所以,，即使主功放的輸出電壓飽和恒定,，但輸出功率因?yàn)樨?fù)載的減小卻持續(xù)增大（流過(guò)負(fù)載的電流變大了）。當(dāng)達(dá)到激勵(lì)的峰值時(shí),，輔助功放也達(dá)到了自己效率的最大點(diǎn),，這樣兩個(gè)功放合在一起的效率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單個(gè)B類(lèi)功放的效率,。單個(gè)B類(lèi)功放的最大效率78.5％出現(xiàn)在峰值處，現(xiàn)在78.5％的效率在峰值的一半就出現(xiàn)了,。所以這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能達(dá)到很高的效率（每個(gè)放大器均達(dá)到最大的輸出效率）,。

　　1.2 Doherty功率放大器設(shè)計(jì)

　　根據(jù)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(shè)計(jì)指標(biāo)要求：

　　要設(shè)計(jì)Doherty功率放大器,，首先應(yīng)該選擇元器件，然后選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn),，設(shè)置偏置電路,。再進(jìn)行阻抗匹配，最后再設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

       根據(jù)指標(biāo)要求,，首先選定功率放大器。射頻功率放大器主要選用摩托羅拉公司的LDMOS管,，其市場(chǎng)占有率達(dá)到70％以上,，而LDMOS器件也特別適用于CDMA，W-CDMA,，TETRA,、數(shù)字地面電視等需要寬頻率范圍、高線(xiàn)性度和使用壽命要求高的應(yīng)用,。另外由于總的放大器的輸出增益要達(dá)到50 dB,，所以應(yīng)該選用多級(jí)功率放大器。

　　因?yàn)镈oherty功率放大器的最高效率是在大約回退6 dB的時(shí)候達(dá)到,，所以選擇功率放大器為兩個(gè)摩托羅拉的管子MRF21060，他們?cè)谧畲蠊β使ぷ鲿r(shí)總的功率為120 W,，回退1／4（6 dB）即得到30 W,。

　　要設(shè)計(jì)Doherty功率放大器，就需要使其中一個(gè)管子工作在AB類(lèi)或則B類(lèi)工作狀態(tài)下,，而另一個(gè)管子的靜態(tài)工作點(diǎn)選擇在C類(lèi)工作狀態(tài)下,。

　　對(duì)LDMOS管子的MRF21060進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)掃描，選定合適的靜態(tài)工作點(diǎn),，如圖2所示,。

　　根據(jù)Doherty技術(shù)要求，功率放大器偏置的選擇,，應(yīng)該使主放大器達(dá)到飽和的時(shí)候,，這時(shí)輔助放大器才開(kāi)始工作，這樣才能達(dá)到相當(dāng)高的效率,。

　　在此選擇MRF21060在AB類(lèi)工作狀態(tài)時(shí),，靜態(tài)工作點(diǎn)約在3.7 V處,。選擇C類(lèi)工作狀態(tài)時(shí)，選擇工作在2.1 V,。兩種偏置狀態(tài)的靜態(tài)工作電流和電壓如圖3所示,。

　　1.2.2電路匹配設(shè)計(jì)

　　LOAD PULL（負(fù)載牽引技術(shù)）測(cè)量方法能使設(shè)計(jì)者確定負(fù)載阻抗ZL．RF功率放大器在大信號(hào)工作時(shí)，晶體管的最佳負(fù)載阻抗會(huì)隨著輸入信號(hào)功率的增加而跟著改變,，因此,，必須在史密斯圓圖上，針對(duì)不同的輸入功率單位,，每給定一個(gè)輸入功率值就給繪出不同負(fù)載阻抗時(shí)的等輸出功率曲線(xiàn)（power contours）,，幫助找出最大輸出功率時(shí)的負(fù)載阻抗，這種方法稱(chēng)為L(zhǎng)OAD PULL,。

　　LOAD PULL是基本的測(cè)試大功率功放管輸入輸出負(fù)載特性的方法,，理論上來(lái)說(shuō)LOAD PULL可以通過(guò)負(fù)載的變化，得到各個(gè)負(fù)載下的特性,，而相同特性如增益相等點(diǎn)可以組成類(lèi)似地圖的等高線(xiàn)的圓圖,。如增益圓、等效率圓,、等線(xiàn)形圓等,，得到這些信息后，就可以在設(shè)計(jì)中根據(jù)要求進(jìn)行權(quán)衡設(shè)計(jì),。例如在具體的增益和線(xiàn)形要求下,，可以找對(duì)應(yīng)的等增益圓和等線(xiàn)形圓的交集區(qū)域的中點(diǎn)位置作為阻抗匹配的目標(biāo)。根據(jù)仿真結(jié)果：在指定的偏囂下,，如果輸入信號(hào)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(yōu)化的負(fù)載為3.530-j2.811,。

　　可以使用摩托羅拉典型的參考電路進(jìn)行輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)。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(gè)匹配電路之后,，還要設(shè)計(jì)90的合路器和帶90偏移的阻抗變換器用來(lái)合成主輔放大器。

　　至此一個(gè)完整的Doherty功率放大器就設(shè)計(jì)完成了,。

　　2 實(shí)驗(yàn)仿真

　　以下對(duì)整個(gè)Doherty功率放大器的仿真結(jié)果與普通的AB類(lèi)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(lèi)功率放大器附加效率提高了,。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　如所預(yù)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(xiàn)性度會(huì)變差,。這與其中的輔助放大器工作在C類(lèi)工作狀態(tài)下有關(guān),。所以在Doherty的基礎(chǔ)上一般都會(huì)另增加線(xiàn)性化電路，以提高功率放大器的線(xiàn)性度,。