功率放大器作為無線通訊系統(tǒng)中最大的耗能元件，其效率是一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。高的效率可以延長(zhǎng)無線通訊系統(tǒng)中電池供電時(shí)間，節(jié)約能源，降低功放散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高功放的穩(wěn)定性，從而達(dá)到降低建設(shè)和運(yùn)行成本的目的。Doherty功率放大器（DPA）作為一種高效率放大器^{[1] [2]}，有著實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、成本低廉和對(duì)系統(tǒng)線性度的影響較小的優(yōu)點(diǎn)。因而，在現(xiàn)代無線通信技術(shù)中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

W-CDMA作為第三代無線通信主流標(biāo)準(zhǔn)之一，其信號(hào)的峰均比可達(dá)9dB。為保證其系統(tǒng)中功率放大器有較好的線性度，通常要求工作點(diǎn)要從輸出飽和功率點(diǎn)回退9dB^[3]。由于傳統(tǒng)二階Doherty功率放大器的第一個(gè)峰值效率是在滿輸出功率回退6dB時(shí)得到，其變化范圍小于9dB，因而直接用于W-CDMA無線通信系統(tǒng)時(shí)，DPA的效率并未達(dá)到最優(yōu)。針對(duì)這種情況，本文仿真設(shè)計(jì)了一種新型DPA。ADS中的仿真結(jié)果表明，新型DPA相比于傳統(tǒng)DPA，在更大輸出功率回退情況下附加效率可以提升10%左右。

一、新型Doherty放大器設(shè)計(jì)

1、Doherty功率放大器工作原理

經(jīng)典二階Doherty功率放大器電路原理框圖如圖1所示。電路中有兩個(gè)放大器，一般稱之為主（載波）放大器和輔助（峰）放大器，它們由λ/4傳輸線隔開。主功放一般偏置在B類或AB類，輔助功放偏置在C類。主放大器上的λ/4傳輸線起阻抗變換作用，輔助放大器前的λ/4傳輸線起相位平衡作用。工作時(shí)，主從放大器的工作電壓和工作電流如圖2所示^{[4] [5]}

圖1 Doherty放大器原理圖

圖2 主從放大器工作電壓/電流曲線

假設(shè)主放大器工作在理想B類，其工作原理可以分成三個(gè)狀態(tài)來描述^[6]：低功率輸出狀態(tài)，中等功率輸出狀態(tài)和滿功率輸出狀態(tài)。

1)、低功率輸出狀態(tài)下，從放大器關(guān)閉，只有主放大器工作。因此，DPA系統(tǒng)效率在主放大器滿輸出功率時(shí)達(dá)到最大值（78.5%），即達(dá)到第一個(gè)峰值效率，此時(shí)的輸入電壓稱為轉(zhuǎn)折電壓。由于四分之一傳輸線的作用，從主放大器輸出端向λ/4傳輸線方向看成的輸出阻抗RIN變?yōu)?Ropt，提高后到輸出阻抗使得輸出電壓達(dá)到峰值電壓時(shí)，輸出電流卻只有峰值電流的一半。因此，DPA達(dá)到第一個(gè)峰值效率時(shí)的輸出功率相對(duì)于滿功率輸出功率而言，回退了6dB。

2)、中等功率輸出狀態(tài)下，主放大器輸出電壓達(dá)到飽和，適當(dāng)?shù)钠檬沟脧姆糯笃鏖_始工作。隨著輸入功率的增加，從放大器輸出電流增加。由有源負(fù)載牽引技術(shù)可知，Rout增加，RIN減小。這使得主放大器輸出電壓基本保持不變，不會(huì)產(chǎn)生過飽和，同時(shí)主放大器輸出電流繼續(xù)增加，主放大器效率保持最大值。由于從放大器工作電流未達(dá)到最大，故DPA系統(tǒng)效率有所下降，但是依然維持在較高水平。

3)、滿功率輸出狀態(tài)下，主從放大器都以最佳匹配阻抗形式達(dá)到飽和輸出， DPA系統(tǒng)達(dá)到最大功率輸出，系統(tǒng)效率也達(dá)到單個(gè)理想B類放大器的最大效率值（78.5%），即第二個(gè)峰值效率。

2、器件選擇要求

傳統(tǒng)Doherty功率放大器工作時(shí)，主放大器的輸出電壓可用式（1）表示：
                           （1）

圖中V_T為轉(zhuǎn)折點(diǎn)輸入電壓， V_in-max為最大輸入電壓，二者關(guān)系為V_T=αV_in-max，V_m為信號(hào)輸入電壓，I_m為主放大器工作電流， I_p為從放大器工作電流， I_{max_m}為主放大器最大輸出電流， I_{max_p}為從放大器最大輸出電流。那么根據(jù)圖2，得到主放大器三種工作狀態(tài)下的輸出電壓V_m表達(dá)式如下：

1）V_inT時(shí)：
                                     （2）
                   （3）
2）V_T< V_inmax_m時(shí)：
                                 （4）
3）V_in=V_in-max時(shí)：
                         （5）
故有
                  （6）
化簡(jiǎn)得    
                               （7）

上式表明，從放大器的功率容量需要是主放大器功率容量的（1/α-1）倍。例如，α=0.5（DPA功率回退6dB）時(shí)，從放大器功率容量和主放大器功率容量相等;α=0.35（DPA功率回退為9dB）時(shí)，則要求從放大器功率容量是主放大器功率容量的1.82倍。

3、新型Doherty電路設(shè)計(jì)

由上節(jié)的分析可知，更大的功率回退意味著主放大器將在更低的輸入功率下產(chǎn)生飽和，即α取值更小。因此，在使用單個(gè)Push-Pull類型或者兩個(gè)相同型號(hào)的Single-End類型放大管設(shè)計(jì)DPA時(shí)，只要主功放漏極電壓小于從功放漏極電壓，就可以使主放大器的輸出飽和功率效率從放大器輸出飽和功率，從而可以等效地視主從放大器有不同的功率容量，符合器件選擇要求。本文采用兩只Freescale功放管MRF6S21050L來實(shí)現(xiàn)新型DPA的設(shè)計(jì)。

為確保主放大器工作在AB類，從放大器工作在C類，需要選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。為此，對(duì)功放管MRF6S21050L進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)掃描，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)掃描結(jié)果，新型DPA的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置如下：主放大器柵極電壓取2.7V，漏極電壓取22V，漏極電流512mA，管子工作在AB類；從放大器柵極電壓取1.7V，漏極電壓取器件文檔推薦值28V，漏極電流近似為零，管子工作在C類。

圖3 MRF6S21050靜態(tài)工作點(diǎn)掃描結(jié)果

在確定主從放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)后，就可利用ADS軟件提供的負(fù)載牽引（Load Pull）功能來確定放大器的最優(yōu)輸入輸出阻抗。然后根據(jù)得到的最優(yōu)阻抗值進(jìn)行放大器的輸入輸出匹配電路設(shè)計(jì)。雖然主從放大器使用了相同的管子，但由于它們的漏極偏置電壓不同，因此主從放大器的匹配電路需要獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)。完成整個(gè)匹配電路之后，根據(jù)傳統(tǒng)DPA電路結(jié)構(gòu)，就可以完成新型DPA電路的設(shè)計(jì)。

4、仿真結(jié)果

圖4是主放大器電路在柵極電壓保持2.7V，漏極電壓分別取28V和22V時(shí)的輸出功率仿真結(jié)果。可見，降低主放大器漏極偏置電壓后，主放大器的輸出飽和功率降低了2.6dB。如此一來，可以等效地視從放大器功率容量為主放大器功率容量的1.82倍，滿足DPA系統(tǒng)中α取值0.35（DPA功率回退為9dB）時(shí)對(duì)主從功放功率容量的要求。

圖4 主放大器不同漏極電壓下輸出功率仿真結(jié)果

圖5 新型DPA和傳統(tǒng)DPA附加效率仿真結(jié)果

圖5是新型DPA電路和傳統(tǒng)DPA電路的附加效率仿真結(jié)果。其中，傳統(tǒng)DPA電路的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置為：主從放大器的漏極偏置電壓都取28V，主放大器柵極電壓取2.7，從放大器柵極電壓取1.7V，且主從放大器的匹配電路相同。由圖可見，新型DPA電路相比于傳統(tǒng)DPA，可以在功率回退9dB處就達(dá)到第一個(gè)峰值效率，且在中等輸出功率時(shí)放大器附加效率也可以提升10%左右。

然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)中還需要折中考慮，比如漏極電壓降低后會(huì)導(dǎo)致放大器增益下降，高功率輸出時(shí)的效率也有所下降。由于新型DPA中的主放大器提前進(jìn)入飽和，所以相比于傳統(tǒng)DPA，新型DPA的最大輸出功率略為降低。

二、結(jié)論

如預(yù)期結(jié)果一樣，降低主放大器的漏極偏置電壓可以降低主放大器輸出飽和功率，因而可采用相同放大管來設(shè)計(jì)α值更小的DPA電路。由此方法設(shè)計(jì)出的新型DPA電路相比于傳統(tǒng)DPA，可以在更大輸出功率回退情況下出現(xiàn)第一個(gè)效率峰值，而且在中等輸出功率階段，附加效率也有10%左右的提升。

作者：鄧國(guó)康 秦開宇，電子科技大學(xué)

參考文獻(xiàn)

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