高效率非对称Doherty功放的研究

陈理华

(电子科技大学物理电子学院，四川 成都 611731)

高效率非对称Doherty功放的研究

陈理华

(电子科技大学物理电子学院，四川 成都 611731)

面对高速增长的移动数据业务和频谱资源短缺的威胁，高峰均比（PAR）的调制方式不断出现，如OFDM调制方式，这就对功放的线性度提出了较高的要求。为了保证信号的线性度，一般采用功率回退的方法来实现。但是这样的方案是以牺牲效率为代价的。1936年Doherty提出的高效率方案能够很好解决这一难题，非Doherty技术能够使放大器在很宽的功率变化范围内保持高效率输出。

功率放大器；非对称Doherty；线性度；效率；负载牵引

随着通讯系统的迅速发展，由于无线带宽有限，而导致带宽异常紧张，各种新的调制技术，如LTE-TDD，WCDMA，等都采用了复杂的调制方式来减少带宽的占用，在这些技术的应用中，都采用了非恒包络的调制方式，射频信号的峰均比变的越来越大，功放有了很大的输出动态范围，这就对放大器的线性度提出了很高的要求，而线性度的提升往往以功率回退的形式来得以实现，而功率回退必然会导致放大器效率的急剧降低。此时，Doherty结构功放就成为了解决这个问题的一个突破口。

Doherty 结构的放大器可以较好的解决功率放大器在功率回退时效率提升的问题[1]，结合前馈和预失真电路，可以在线性度和效率之间做到较好的兼顾，Doherty 电路的基本原理是将输入信号的平均部分和峰值部分分开放大，然后合成，从而获得高效率。本文以NXP公司的100W和140W晶体管为模型，在ADS仿真软件中设计对称Doherty仿真电路。设计完成的功放电路能够在7.5dB功率范围内保持高效率工作。

1 非Doherty结构功放的基本原理

非对称Doherty是在传统对称Doherty的基础之上，改变电路中的某些器件或者状态，以达到优化电路的目的，其基本结构与传统Doherty仍然一致。常见的非对称Doherty形式有以下几种：1.改变电路中功分器的功率分配，使得峰值功放能分配更多的功率。2.提高原电路中峰值功放的漏极电压，使得峰值功放能够输出更多的功率。3.采用不同功率的晶体管，使得峰值功放的功率大于主功放。有时候，也可以采用几种形式联合起来使用的方法。例如，在选择不同功率的晶体管的同时，可以改变输入信号的功率分配以达到更好的效果。

在对称Doherty中，由于主功放偏置在AB类，而峰值功放偏置在C类，因此峰值功放的增益势必小于主功放。在输入相同功率的情况下，峰值功放的输出电流必然小于主功放。而在功率饱和时，两个晶体管的输出电压相等，因此峰值功放的输出功率小于主功放[2]。根据前面的分析，峰值功放对主功放有动态负载牵引的作用，当峰值功放功率小于主功放时，牵引作用达不到预想值。即峰值功放不能将主功放的输出阻抗由最初的100Ω有效的牵引到匹配点的50Ω，实际中只能牵引到70Ω或者该值附近，这势必将影响到主功放的输出功率。从而导致主功放的效率降低。

为了解决峰值功放增益小，输出功率低的问题，我们可以采用改变电路中功分器功率的分配或者提高峰值功放漏极电压的方法[2]。这两种方法都可以提高峰值功放的输出功率，使得两个晶体管同时达到饱和时，峰值功放能输出与主功放相等的电流，从而准确的将主功放牵引到50Ω附近。这两种方法都是为了提高系统在输出功率达到饱和时的系统效率。

非对称Doherty的另外一种结构，即主功放和峰值功放采用不同功率的晶体管，这种结构并不是为了解决C类功放增益小的问题。而是为了保证功放在回退更多功率的时候仍然保持较高的效率。其结构与传统的对称Doherty类似，当主功放功率和峰值功放效率之比不同的时候，其结构也不同。如图1-1所示为主功放和峰值功放功率比为1：1.4的时候的非对称Doherty原理图。其基本原理与传统Doherty类似，核心技术都是动态负载牵引原理。但是，非对称Doherty技术的阻抗变换与对称Doherty有所不同。

图1-1 非对称Doherty结构原理图

图1-2 非对称Doherty效率曲线

非对称Doherty功器的工作原理也可以按照输入功率不同的三种模式进行分析，即低功率输出模式、中等功率输出模式和大功率输出模式[3]。

低功率输出模式，此时输入信号强度还不足以使输出达饱和输出，此时所有信号都经过主放大器进行放大，峰值功放尚未开启，将主功放可以看作是一个受控电流源。因为峰值功放没有打开，它对主功放的输出端呈现高阻的状态，可近似为开路。经主功放输出端 /4线的阻抗变化作用，合路输出端的输出阻抗由20.8Ω变换到125Ω。在这种模式下，主功放的负载阻抗为125Ω。125Ω的阻抗使得主放大器在输出功率较小的时候，输出电压就接近饱和了，此时主功放的电流还没有达到最大值，整个系统输出功率在只有主功放饱和功率五分之二的时候已经拥有了较高的效率，此时功放工作在如图1-2所示A点。

中等功率输出模式，随着输入信号的继续增加，峰值功放开始开启，主功放仍然保持电压饱和。因为主功放的电压一直饱和，处于恒定状态，将其可看作是一个受控电压源[4]。峰值功放的电压和电流都在随这输入信号强度的增加在提高。根据动态负载牵引技术，峰值功放的输出电流的增加会导致主功放输出端 /4线后的阻抗增加，经主功放后 /4线的阻抗变换作用，从主功放输出端看到的输出阻抗是减小的。随着输入信号的增加，峰值电流不断增加，最终主功放输出端阻抗由125Ω变换到50Ω，同时，峰值功放输出端的负载阻抗也由无穷大变换到35Ω，系统进入下一个工作模式。在输入功率增加的过程中，主功放的效率一直保持最大效率，而峰值功放的功率和效率则由小变大直到峰值功放达到饱和状态，其效率也达到最大。整个效率的变化过程如图1-2所示，从点A到点C的变化过程表示了整个系统效率的变化。

在非对称Doherty结构中，由于主功放的饱和功率小于峰值功放并且早于峰值功放进入饱和状态，因此相对于传统Doherty，非对称Doherty的峰值效率能较早的出现。对于不同功率比的非对称Doherty，其最大功率回退公式如下：

式中， 代表最大回退功率，PC表示峰值功放的饱和输出功率，PM表示主功放的饱和输出功率。如图 1-2所示，不同功率分配情况下，各非对称Doherty结构的功率回退效率曲线不同，根据式（1-1）可知，当 PC: PM=1:1时，= -6dB ，即为传统的对称Doherty功放。当 PC: PM=2:1时， = -9.5dB ，即最大回退功率为9.5dB。当 PC: PM=3:1时，= -12dB ，即最大回退功率为12dB。

2 Doherty功率放大器设计

2.1 单级功放电路设计

本文电路设计主要针对的应用方向为LTE-TDD基站功率放大器，设计要求则定为：

工作频段2570-2620MHz，平均输出功率为20W，峰值功率为240W，PAE为25%，增益为15dB。

Doherty功放电路采用 NXP公司的 100W晶体管BLF7G27L-100和140W晶体管BLF7G27L-140作为仿真模型。而仿真工具为安捷伦公司的ADS（Advance Design System）仿真软件。在选定晶体管之后，先对管子进行直流仿真来确定管子的工作状态。选定工作电压为28V，栅极电压为2.5V，漏极静态电流为0.8A。接下来用Loadpull和Sourcepull技术对晶体管进行扫描，确定输入和输出的最佳匹配点Zsource和Zload，最后分别将输入输出匹配到50Ω[4]。匹配电路的设计也是在ADS软件中完成的，匹配电路的设计尽可能满足插损小、驻波反射小的要求[5][6]。

2.2 Doherty结构设计与仿真

电路的设计指标为：频率从 2570MHZ-2620MHZ，最大输出功率240W，功率回退7.5dB时，PAE大于25%，电路可用于LTE-TDD的基站功放模块中。该电路针对峰均比较高的后3G移动通信基站，非对称Doherty和DPD的配合使用提高了整机RRU的效率和线性度。

图2-1 完整Doherty电路设计

图2-2 Doherty电路仿真结果

3 结论

本文详细介绍了非称Doherty结构，并描述了整个对称结构的设计过程。通过仿真结果说明了非对称结构的优越性，其中最有价值的部分就是比一般功放在总的输出功率和效率上都有提高。此外，这种非对称结构Doherty实现方便也是它的另一大优点。

[1] Doherty W H.,A new high efficiency amplifier for moudulated waves,Proc.IRE,vol.24,Sept.1936,pp.1163-1182.

[2] Williams A, Metzger A G, Larson L E et al, An extended doherty amplifier with high efficiency over a wide power range,IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol.49,No.12,Dec 2001,pp.2472-2479.

[3] Takashi Yamamoto, Takaya Kitahlara, Shigeru Hiura, 50%Drain efficiency doherty amplifier with optimized power range for W-CDMA signal,Mierowave syrnposium,2007.IEEE MTT-S international, pp.1263-1266.

[4] 宋汉斌,陈晓光.基于Doherty技术的RF高效率大功率放大电路的设计与分析[J].电路与系统学报,2008,13(6):92-102.

[5] 郑青.Doherty功率放大器的研究D].成都:电子科技大学电子工程学院,2009.

[6] Allen Katz and Shabbir Moochalla，Versatile FET Non-linear Transfer Function Generator E1ements, IEEE MTT-S Digest,1990.

High efficiency Doherty amplifier for base station

Chen Li Hua
(School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, china)

power amplifier;ADoherty;linearity;efficiency;active load pull technique

TN722.7+5

A

1008-1151(2011)10-0065-02Abstract:To overcome the threat of rapid growth of mobile data and services and the shortage of spectrum resources,and the emerging of high PAR in modulation ,such as OFDM modulation,which the PA need a high linearity requirements.In order to ensure signal linearity,the general method of power back to achieve.But at the expense of cost efficiency.1936,Doherty’s high efficiency solutions can solve this problem,ADoherty amplifier technology can enable a wide rang of power output to maintain high efficiency.

2011-07-13

陈理华（1985－），男，湖南邵阳人，电子科技大学物理电子学院在读硕士研究生，从事微波方面的研究。