机载实况摄录传输系统中Doherty功率放大器的设计＊

乔文长 许 伟

（91388部队94分队 湛江 524022）

1 引言

随着功率放大器技术的产生和发展，这使得在“高速移动”和“非视距”条件下，实现高质量的实时的无线图像、声音和数据传输成为可能[1]。机载实况传输系统的功率放大系统采用了先进的Doherty结构技术，能够确保高速移动、抗衰落及多径干扰下的稳定传输（移动速度可达150km／h），提供广播级DVD质量的高清晰图像，强大的非视距传输能力，具有覆盖范围广、灵敏度高、数据量大、有效率高等优点，为现场指挥、野外作战等特殊条件下，应急通信所需要的远距离、高质量、高速率的实时图像、音频及数据传输提供理想的解决方案。

2 在机载实况传输系统中功率放大器的设计需求

在机载实况摄录传输系统中，发射机将来自摄像机的视频和音频信号通过A／D转换器变成数字信号，经过编码后复接成一个合路数据，传输到COFDM调制单元。COFDM调制单元将接收的信号进积联合编码，然后进行编码映射，映射后得星座图进行OFDM（正交多载波）调制。调制后的两路正交信号，用低相噪本振进行正交调制[2]。得到的基带调制信号需要经过功率放大器放大，才能够经过天线发射出去（如图1所示）。

图1 发射系统原理图

根据直升机机载数字无线图像实时传输系统要求，在直升机飞行一定高度下，船舶和飞机距离不小50km时快速建立起飞机到实验船稳定的实时高质量视频、音频传输，可以根据用户的要求建立直升机和船舶之间GPS信息的传输[3]。所以功率放大器的指示为：输出功率不10W；带宽为100MHz；带内起伏为0.1。功率放大器设计采用Doherty结构，该结构具有效率高，频响好，杂散少等特点。

3 Doherty功率放大器原理概述

Doherty结构由两个功放组成：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 amplifier[4]。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，保证辅助功放工作的时候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[5]。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2所示。

图2 Doherty功率放大器框图

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%[6]。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，效率也达到最大的78.5%，此时辅助功放也开始与主放大器一起工作此时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，那是因为流过负载的电流变大的缘故。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[7]。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。因此每个放大器均达到最大的输出效率，所以这种系统结构能达到很高的效率。

4 Doherty功率放大器设计

根据直升机机载数字无线图像实时传输系统要求，以额定功率30W，输出增益50dB，工作频率2110～2170 MHz等为例作为设计指标要求。要设计Doherty功率放大器，首先应该选择元器件，然后选择合适的静态工作点，设置偏置电路。再进行阻抗匹配，最后再设计90°的合路器把主辅功率放大电路合成。

4.1 功率放大器选择以及放大器偏置设计

根据指标要求，首先选定功率放大器。射频功率放大器主要选用摩托罗拉公司的LDMOS管，其市场占有率达到70%以上，而LDMOS器件也特别适用于CDMA，WCDMA，TETRA、数字地面电视等需要宽频率范围、高线性度和使用寿命要求高的应用。另外由于总的放大器的输出增益要达到50dB，所以应该选用多级功率放大器。

因为Doherty功率放大器的最高效率是在大约回退6 dB的时候达到[8]，所以选择功率放大器为两个摩托罗拉的管子MRF21060，他们在最大功率工作时总的功率为120 W，回退1／4（6dB）即得到30W。要设计Doherty功率放大器，就需要使其中一个管子工作在AB类或则B类工作状态下，而另一个管子的静态工作点选择在C类工作状态下[9]。对LDMOS管子的 MRF21060进行静态工作点扫描，选定合适的静态工作点，如图3所示。

图3 MRF21060静态工作点扫描（VDS＝28V）

根据Doherty技术要求，功率放大器偏置的选择，应该使主放大器达到饱和的时候，这时辅助放大器才开始工作，这样才能达到相当高的效率。

4.2 电路匹配设计

LOAD PULL（负载牵引技术）测量方法能使设计者确定负载阻抗ZL.RF功率放大器在大信号工作时，晶体管的最佳负载阻抗会随着输入信号功率的增加而跟着改变，因此，必须在史密斯圆图上，针对不同的输入功率单位，每给定一个输入功率值就给绘出不同负载阻抗时的等输出功率曲线（power contours），帮助找出最大输出功率时的负载阻抗，这种方法称为 LOAD PULL[10]。

LOAD PULL是基本的测试大功率功放管输入输出负载特性的方法，理论上来说LOAD PULL可以通过负载的变化，得到各个负载下的特性，而相同特性如增益相等点可以组成类似地图的等高线的圆图。如增益圆、等效率圆、等线形圆等[12]，得到这些信息后，就可以在设计中根据要求进行权衡设计。例如在具体的增益和线形要求下，可以找对应的等增益圆和等线形圆的交集区域的中点位置作为阻抗匹配的目标。根据仿真结果：在指定的偏嚣下，如果输入信号为30dBm，则最大的功率附加效率为42.84%，最大的输出功率为14.34dBm。选定最优化的负载为3.530－j2.811。

图4 CLASS AB功率放大器的功率附加效率仿真结果

图5 Doherty功率放大器的功率附加效率仿真结果

通过图4和图5，可以看出Doherty功率放大器的功率附加效率比普通的AB类功率放大器附加效率提高了。Doherty功率放大器的设计完全能满足该系统使用。

5 结语

本文主要介绍机载实况摄录传输系统中Doherty功率放大器的设计，使得该系统能够“高速移动”和“非视距”条件下，对被试品的整个运动过程进行跟踪拍摄，实现高质量的实时的无线图像和声音的传输，并把摄录实况实时传递到试验指挥船，使指挥员能及时了解被试品的运动态势，帮助指挥员做出正确的决策。

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