Doherty功率放大器設計與仿真分析

射頻功率放大器被廣泛應用于各種無線通信發射設備中。線性功放在基站中的成本比例約占1／3，如何有效、低成本地解決功放的線性化問題顯得非常重要。高效率高線性度的功放研究是一個熱門課題，特別是近幾年針對WCDMA功率放大器。目前國內能生產10 W以上的WCDMA功率放大器廠家只有少數幾家公司，因為WCD-MA功率放大器對線性度的要求更高。而用普通的回退法生產的WCDMA功率放大器符合指標的只能做到幾瓦，這個功率用在基站上是遠遠不夠的，只能用在一般的小型直放站上。

功率放大器的線性度和效率是設計功率放大器的重點。在線性度方面，前饋結構是目前比較成熟的結構，廣泛運用于現代通信系統中，數字預失真在業界則被認為是功率放大器線性化的方向。而隨著現代通信的發展，效率也開始越來越被關注。Doherty方法被認為是提高效率最有前景的一種結構。前饋與 Doherty結構相結合的結構或者數字預失真與Doherty結合的結構具有很大的價值。

1 Doherty功率放大器設計

1.1 Doherty功率放大器原理概述

Doherty結構由2個功放組成：一個主功放，一個輔助功放，主功放工作在B類或者AB類，輔助功放工作在C類。兩個功放不是輪流工作，而是主功放一直工作，輔助功放到設定的峰值才工作（這個功放也叫作peak ampli-fier）。主功放后面的90°四分之一波長線是阻抗變換，目的是在輔助功放工作時，起到將主功放的視在阻抗減小的作用，保證輔助功放工作的時候和后面的電路組成的有源負載阻抗變低，這樣主功放輸出電流就變大。由于主功放后面有了四分之一波長線，為了使兩個功放輸出同相，在輔助功放前面也需要 90°相移。如圖1所示。

主功放工作在B類，當輸入信號比較小的時候，只有主功放處于工作狀態；當管子的輸出電壓達到峰值飽和點時，理論上的效率能達到78.5％。如果這時候將激勵加大一倍，那么，管子在達到峰值的一半時就出現飽和了，效率也達到最大的78.5％，此時輔助功放也開始與主放大器一起工作（C類，門限設置為激勵信號電壓的一半）。輔助功放的引入，使得從主功放的角度看，負載減小了，因為輔助功放對負載的作用相當于串連了一個負阻抗，所以，即使主功放的輸出電壓飽和恒定，但輸出功率因為負載的減小卻持續增大（流過負載的電流變大了）。當達到激勵的峰值時，輔助功放也達到了自己效率的最大點，這樣兩個功放合在一起的效率就遠遠高于單個B類功放的效率。單個B類功放的最大效率78.5％出現在峰值處，現在78.5％的效率在峰值的一半就出現了。所以這種系統結構能達到很高的效率（每個放大器均達到最大的輸出效率）。

1.2 Doherty功率放大器設計

根據額定功率30 W，輸出增益50 dB，工作頻率2 110～2 170 MHz等作為設計指標要求：

要設計Doherty功率放大器，首先應該選擇元器件，然后選擇合適的靜態工作點，設置偏置電路。再進行阻抗匹配，最后再設計90°的合路器把主輔功率放大電路合成。

1.2.1 功率放大器選擇以及放大器偏置設計 根據指標要求，首先選定功率放大器。射頻功率放大器主要選用摩托羅拉公司的LDMOS管，其市場占有率達到70％以上，而LDMOS器件也特別適用于 CDMA，W-CDMA，TETRA、數字地面電視等需要寬頻率范圍、高線性度和使用壽命要求高的應用。另外由于總的放大器的輸出增益要達到50 dB，所以應該選用多級功率放大器。

因為Doherty功率放大器的最高效率是在大約回退6 dB的時候達到，所以選擇功率放大器為兩個摩托羅拉的管子MRF21060，他們在最大功率工作時總的功率為120 W，回退1／4（6 dB）即得到30 W。

要設計Doherty功率放大器，就需要使其中一個管子工作在AB類或則B類工作狀態下，而另一個管子的靜態工作點選擇在C類工作狀態下。

對LDMOS管子的MRF21060進行靜態工作點掃描，選定合適的靜態工作點，如圖2所示。

根據Doherty技術要求，功率放大器偏置的選擇，應該使主放大器達到飽和的時候，這時輔助放大器才開始工作，這樣才能達到相當高的效率。

在此選擇MRF21060在AB類工作狀態時，靜態工作點約在3.7 V處。選擇C類工作狀態時，選擇工作在2.1 V。兩種偏置狀態的靜態工作電流和電壓如圖3所示。

1.2.2 電路匹配設計