数字电视前端发射机中Doherty功放的设计

陈 俊, 苏凯雄

(福州大学物理与信息工程学院, 福建 福州 350002)

0 前 言

图1 Doherty功率放大器原理框图

在向4G发展的过程中，面临的最大挑战是如何支持现有的多种移动通信标准，包括GSM、GPRS、WCDMA和HSDPA，与此同时，还要支持100 Mb/s～1 Gb/s的数据率以及支持OFDMA调制、支持MIMO天线技术，乃至支持VoWLAN的组网.因此，在射频信号链设计的过程中，如何降低射频功率放大器的功耗及提升效率成为了微波功率放大器设计需要解决的关键技术.目前在放大器器件选用上3条技术路线可提高放大器效率：利用超CMOS工艺放大器，从提高集成度来间接提升PA效率；利用InGaP工艺放大器实现功率放大器的低功耗和高效率；利用SiGe BiCMOS 工艺技术提高放大器的效率[1，2].从上面3种技术来看，都是从微观的角度来实现功放效率的提升，在实际应用中，除了考虑从放大器内核工艺角度之外，还可以从放大器设计的电路结构方面来考虑提高放大器的效率，最经典的就是Doherty功放，它比普通功放的效率提高了15%～20%，因此，Doherty功放的使用范围越来越广，本次设计就是将Doherty功放引入数字电视前端发射系统，从而提高前端发射系统的效率[3，4].

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AB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，保证辅助功放工作时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[5，6].

图2 ADS软件仿真的电路原理图

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，效率也达到最大值78.5%，此时辅助功放也开始与主放大器一起工作(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)[7].

2 利用计算机软件仿真Doherty功率放大器

在微波电路仿真中，ADS软件相对比较成熟，使用的人也比较多，为此采用ADS仿真软件来实现全匹配的Doherty功率放大器仿真.图2是ADS软件仿真的电路原理图.

图3是Doherty功率放大器传输功率增益和效率的仿真结果图.

图3 传输功率增益和效率的仿真结果图

从传输效率增益可以看出该放大器功率在15 dB，其P 1dB 在49 dbm，3 dB压缩点达到50 dbm，从效率图可以明显看出在功率回退6 dB的效率达到52%，远高于传统的AB类放大器，充分体现了Doherty功率放大器的优点.

3 Doherty功率放大器实际电路设计

根据理论分析，我们设计了Doherty功率放大器实际应用电路，采用的是飞思卡尔公司的功率放大器芯片，具体设计电路如图4所示.

图4 Doherty功率放大器实际应用电路 图5 Doherty 功放的实测效率

4 实验验证和测试结果分析

对于一般的RF 板材，其介电常数会随着放大器工作时发热导致的温度变化而变化, 从而导致整个电路损耗也不稳定，影响电路性能[8,9]，因此采用RF35 型号板材作PCB 电路板,其介电常数在放大器工作时发热导致的温度变化中能比较稳定.利用频谱分析仪和频率信号发生器对功率放大器进行测试，得出的测试结果为Doherty 功率放大器在输出功率36 dBm的情况下效率为28%，如图5所示，实际测试结果与仿真结果有一定的差距，但总体上结果还是较为吻合的.

5 结束语

将Doherty功率放大器引入数字电视前端发射机系统，大大提高了前端发射系统的效率，通过结合相应的线性化技术，比如前馈技术，就可以使得数字电视前端发射机的整机性能在效率和线性度上得到充分的保证.通过测试结果表明，Doherty 技术能够较好的满足现代无线通信系统对功率放大器的要求，将有非常广阔的应用前景.

参考文献

[1] 王亚莉, 傅延增, 张海林, 等. 非线性放大器对OFDM 信号的影响[J]. 西安电子科技大学学报, 2002, 29(4):504-509.

[2] Mihai Albulet. RF Power Amplifiers[M]. Noble Publishing Cor2 Poration Atlanta,GA， 2001:346-360.

[3] Guillermo Gonzalez. 微波晶体管放大器分析与设计[M]. 北京:清华大学出版社,2003.

[4] Freescale Semiconductor. Wireless RF Product , Freescale Semiconductor Device Data[Z]. DL110, Arizona, 2004:508-521.

[5] W H Doherty. A new high efficiency power amplifier for modulated waves[J]. Proc. IRE, 1936, 24(9): 1 163-1 182.

[6] Bohge M, Gross J, Wolisz A,etal. Dynamic resource allocation in OFDM systems : an overview of cross layer optimization principles and techniques[J] . IEEE Network, 2007,21(1): 53-59.

[7] Bumman K, Jangneon K, Ildu K,etal. The Doherty power amplifier[J].IEEE Microwave Magazine,2006,7(5):42-50.

[8] Rowan Gilmore, Les Besser. Practical RF Circuit Design for Modern Wireless Systems, Volume Ⅱ, Active Circuits and Systems[M]. London：Artech House, 2003.

[9] Ludwig, R Bretchko, P R F. Circuit Design: Theory and Applications[M]. Englewood：Prentice-Hall Inc, 2000.