Doherty射频功率放大器研究与实践

范 瑜 ，张惠国，潘启勇，沈 略

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 2 15500）

在民用无线通信和军事通信技术中，通信信号一般拥有较高的峰均比，例如OFDM等复杂调制信号.为了提高频谱利用率，大量采用了64QAM以上的映射方式，这样的信号在发射机末级放大时对放大器的线性度提出了很高的要求.为了保证线性度，许多设计方案不惜采用牺牲效率的方法来达到目的[1-2].兼顾效率与线性度成为当今移动通信中电路设计的关键问题.Doherty技术是由贝尔实验室的William H.Doherty在1936年提出的，此技术被引入微波领域后，引起了工程师们的极大关注[3-6].Doherty放大器有高效性优势，但线性度还需要进一步提高.已有的功率回退法虽可以提高功放的线性度，但效率将大大降低，兼顾效率和线性度是设计的难点[7-9].

本文使用飞思卡尔功放管MRF6S20010N模型在ADS（Advanced Design System）[10]平台下完成了电路设计，研究了匹配电路和负载牵引设计，并与Doherty放大器相结合来提高线性度，最终通过计算机仿真验证.与一般的两级Doherty放大器设计相比，主要的改进点为：1、将负载牵引法与Doherty设计相结合，找出了主放大器的最佳负载阻抗；2、分析了Doherty放大器自身的线性特点，实现了线性度的提高.基于ADS完成了晶体管特性分析、电路结构设计、源和负载的牵引设计优化，电路特性的综合仿真与优化.

1 Doherty结构基本原理

Doherty功率放大器从结构上看是由两个或两个以上的放大器组成的，如图1所示.电路中有两个放大器，一般称为主（载波）放大器和辅助（峰值）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.辅助放大器上的λ 4传输线起阻抗变换作用，主放大器前的λ 4传输线起相位平衡作用.根据输入信号的大小不同，可以分为三种不同的工作状态[2]：

图1 Doherty功放典型电路结构

（a）低功率状态：主放大器正常工作，而辅助放大器没有达到开启门限，所以处于截止状态.主放大器可以等效为一个受控电流源，辅助放大器的输出阻抗无穷大，这样就使得主放大器的输出阻抗是两倍的Ropt.此时系统在没有输出最大功率的情况下能有较高的效率，达到最大值（约78.5%）.其负载阻抗与输出匹配线的关系为

其中α表示峰值输出功率时两个放大器的功率分配比（对于典型对称Doherty架构来说，α=0.5），电压传输比T为

因此Vom=αV1m，主功放的饱和点出现于输出电压Vom=αVDD时，主功放射频输出电流为

其中Iom表示输出电流，对于理想B类放大器而言，直流电流

因此效率为

（b）中等功率状态：主放大器输出达到饱和，辅助放大器达到开启门限而开始工作.辅助放大器可以被看作受控电流源，主放大器可看作是受控电压源，放大器效率可以维持在较高水平.主功放流向负载的电流I3m为

辅助功放电流I2m为

此工作状态下，电压传输比为T=VDD/Vom，因此主功放输出电流为

对于理想B类功放，总的直流输入电流为

（c）大功率输出状态：随着输入信号继续增大，当功率大到辅助放大器饱和的时候，主放大器和辅助放大器的输出阻抗都是Ropt＝50 Ω，此时电流达到最大值，系统的效率将维持最大的效率.（理想B类放大器的最大效率为78.5%）.

若辅助功放电压是VDD，则高功率输出功率为PoPEP=VDD2/2RO，在典型Doherty功放电路中，α=0.5，按此计算RL=2RO，总的输出电流是Iom=VDD/RO.对于理想的B类放大器而言，

最终的效率为

和

对于理想B类功放而言，由（12）、（13）可知直流电流为

直流输入功率和效率分别是

与传统的B类放大器相比，Doherty放大器在输入信号由最大值往下降的时候，其效率会出现第二个峰值点，一般在回退6 dB左右的时候出现，通过α值的选取可以调整不同输入电压点处达到最大效率.与传统的A类或者B类放大器相比，Doherty放大器能够在输入信号较大动态范围内保持一个相对较高的效率，从而提高放大器在放大高峰均比信号时的效率.

2 Doherty功率放大器设计

由于Doherty结构中主功放和辅助功放分别工作在AB类和C类，因此二者的非线性系数刚好相反.由此可知，通过设置适当的偏置电压和输入功率，便可以实现三阶互调在输出端相消，从而改善线性.具体的实验改进电路结构如图2所示：

图2 改进的Doherty电路结构图

Doherty放大器最后输出需要匹配到50欧姆的系统中，最后输出端需要使用一段阻抗变换线进行匹配.本设计主要通过对Doherty功放电路进行改进，完成匹配网络、补偿线的选取、有源负载牵引、直流电压偏置电路设计、负载阻抗匹配等，最终实现兼顾高效率和高线性度的功率放大器.本设计采用飞思卡尔公司的MRF6S20010N LDMOS功率晶体管，功分器采用典型的3 dB等分威尔金森功分器结构，并通过ADS进行设计与仿真.

3 电路设计及分析

首先进行放大器静态工作点的确定，即进行单管直流扫描，图3为直流扫描电路仿真图.

图3 直流扫描电路仿真图

由直流扫描得到的参考及MRF6S20010N的官方参考数据，设定主功放的栅极偏置电压为2.7 V，漏极偏置电压为28 V；从放大器栅极偏置电压为1.5 V，漏极偏置电压为28 V，且工作频率为2.11-2.17 GHz.要实现最好的功率输出，必须使负载阻抗和源阻抗相匹配，匹配网络构成了功放的重要组成部分，通过Load_Pull和Source_Pull可以测试出功率管的输入输出阻抗特性，并利用ADS生成最佳的匹配网络完成电路.负载牵引（源牵引）设计主要包括三部分：

1.插入Load_Pull（Source_Pull）模板.

2.确定Load_Pull（Source_Pull）的范围.

3.确定输出（输入）的负载阻抗.

在此只考虑功率最大点.由最大输出功率时的输出阻抗仿真图可以看出，在最大功率时的输出阻抗为3.35+0.7 j，选它作为主功放输出的阻抗.图4为Smith参数匹配图，图5为具体匹配电路的生成.

在主功放输出加上匹配电路，如图6所示，然后按确定Load_Pull参数的方法调整好Source_Pull的范围和参数.

图4 负载牵引Smith参数匹配图

图5 输出匹配电路

对辅助功放也进行负载匹配和源匹配，并生成阻抗匹配电路，就完成了主功放和从功放的阻抗匹配电路的设计.利用ADS自带的计算阻抗变换线的工具LineCale可以轻松计算出四分之一阻抗变换线的长度和宽度，图7为完整的Doherty功放电路.

具体仿真结果如图8所示，Doherty电路在保证比普通AB类功放更大的效率的同时，在小功率输入的情况下具有更大的效率，且PAE也具有较大的值.所以，Doherty功放在其工作频段附近具有较高的效率.图9给出了电路在2110～2170 MHz范围内的增益平坦度.

由于功分器和阻抗变化线均需要工作在特定的频带宽度内，而选取的MOS管的工作频率设置在2 GHz，所以在2 GHz附近增益的平坦度最好.随着频率的增加，线性有所下滑，但是Doherty功放在整体上还是显示了较高的线性度.

4 总结

图6 源牵引设计原理图

图7 Doherty功放电路图

随着现代通信技术的飞速发展，对功率放大器的线性度和效率指标的要求越来越高.本文研究了Doherty功率放大器的线性化及效率提升技术.通过ADS软件分析、研究了直流偏置、负载牵引设计、阻抗匹配等，结果表明所设计的Doherty功率放大器不但能够提高性能指标，还提高了放大器的稳定性，对工业中高效率线性高功率放大器的设计提供了有益的参考.

图8 Doherty功放的PAE

图9 Doherty功放的增益特性

[1]童富，刘海文，曹锐，等.Doherty功率放大器的研究进展[J].雷达科学与技术，2008，6（5）：378-38 2.

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