Doherty功率放大器研究與設計

發(fā)布時(shí)間:2010-7-15 19:00    發(fā)布者:conniede
關(guān)鍵詞: Doherty , 功率放大器
射頻功率放大器被廣泛應用于各種無(wú)線(xiàn)通信發(fā)射設備中。線(xiàn)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(xiàn)性化問(wèn)題顯得非常重要。高效率高線(xiàn)性度的功放研究是一個(gè)熱門(mén)課題,特別是近幾年針對WCDMA功率放大器。目前國內能生產(chǎn)10 W以上的WCDMA功率放大器廠(chǎng)家只有少數幾家公司,因為WCD-MA功率放大器對線(xiàn)性度的要求更高。而用普通的回退法生產(chǎn)的WCDMA功率放大器符合指標的只能做到幾瓦,這個(gè)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(xiàn)性度和效率是設計功率放大器的重點(diǎn)。在線(xiàn)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(yè)界則被認為是功率放大器線(xiàn)性化的方向。而隨著(zhù)現代通信的發(fā)展,效率也開(kāi)始越來(lái)越被關(guān)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(jià)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(gè)功放組成:一個(gè)主功放,一個(gè)輔助功放,主功放工作在B類(lèi)或者AB類(lèi),輔助功放工作在C類(lèi)。兩個(gè)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(gè)功放也叫作peak ampli-fier)。主功放后面的90°四分之一波長(cháng)線(xiàn)是阻抗變換,目的是在輔助功放工作時(shí),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(shí)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(cháng)線(xiàn),為了使兩個(gè)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(lèi),當輸入信號比較小的時(shí)候,只有主功放處于工作狀態(tài);當管子的輸出電壓達到峰值飽和點(diǎn)時(shí),理論上的效率能達到78.5%。如果這時(shí)候將激勵加大一倍,那么,管子在達到峰值的一半時(shí)就出現飽和了,效率也達到最大的78.5%,此時(shí)輔助功放也開(kāi)始與主放大器一起工作(C類(lèi),門(mén)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(gè)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(guò)負載的電流變大了)。當達到激勵的峰值時(shí),輔助功放也達到了自己效率的最大點(diǎn),這樣兩個(gè)功放合在一起的效率就遠遠高于單個(gè)B類(lèi)功放的效率。單個(gè)B類(lèi)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(gè)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(tài)工作點(diǎn),設置偏置電路。再進(jìn)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(chǎng)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(xiàn)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(shí)候達到,所以選擇功率放大器為兩個(gè)摩托羅拉的管子MRF21060,他們在最大功率工作時(shí)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(gè)管子工作在A(yíng)B類(lèi)或則B類(lèi)工作狀態(tài)下,而另一個(gè)管子的靜態(tài)工作點(diǎn)選擇在C類(lèi)工作狀態(tài)下。
對LDMOS管子的MRF21060進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)掃描,選定合適的靜態(tài)工作點(diǎn),如圖2所示。



根據Doherty技術(shù)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(shí)候,這時(shí)輔助放大器才開(kāi)始工作,這樣才能達到相當高的效率。

在此選擇MRF21060在A(yíng)B類(lèi)工作狀態(tài)時(shí),靜態(tài)工作點(diǎn)約在3.7 V處。選擇C類(lèi)工作狀態(tài)時(shí),選擇工作在2.1 V。兩種偏置狀態(tài)的靜態(tài)工作電流和電壓如圖3所示。



1.2.2 電路匹配設計

LOAD PULL(負載牽引技術(shù))測量方法能使設計者確定負載阻抗ZL.RF功率放大器在大信號工作時(shí),晶體管的最佳負載阻抗會(huì )隨著(zhù)輸入信號功率的增加而跟著(zhù)改變,因此,必須在史密斯圓圖上,針對不同的輸入功率單位,每給定一個(gè)輸入功率值就給繪出不同負載阻抗時(shí)的等輸出功率曲線(xiàn)(power contours),幫助找出最大輸出功率時(shí)的負載阻抗,這種方法稱(chēng)為L(cháng)OAD PULL。

LOAD PULL是基本的測試大功率功放管輸入輸出負載特性的方法,理論上來(lái)說(shuō)LOAD PULL可以通過(guò)負載的變化,得到各個(gè)負載下的特性,而相同特性如增益相等點(diǎn)可以組成類(lèi)似地圖的等高線(xiàn)的圓圖。如增益圓、等效率圓、等線(xiàn)形圓等,得到這些信息后,就可以在設計中根據要求進(jìn)行權衡設計。例如在具體的增益和線(xiàn)形要求下,可以找對應的等增益圓和等線(xiàn)形圓的交集區域的中點(diǎn)位置作為阻抗匹配的目標。 根據仿真結果:在指定的偏囂下,如果輸入信號為30 dBm,則最大的功率附加效率為42.84%,最大的輸出功率為 14.34 dBm。選定最優(yōu)化的負載為3.530-j2.811。

可以使用摩托羅拉典型的參考電路進(jìn)行輸入輸出匹配電路的設計。其推薦電路匹配值如表1所示。



Zsource=Test circuit impedance as measured from gate to ground
Zload=Test circuit impedance as measured from drain to ground
完成整個(gè)匹配電路之后,還要設計90°的合路器和帶90°偏移的阻抗變換器用來(lái)合成主輔放大器。
至此一個(gè)完整的Doherty功率放大器就設計完成了。

2 實(shí)驗仿真

以下對整個(gè)Doherty功率放大器的仿真結果與普通的AB類(lèi)功率放大器比較。如圖4,圖5所示。



可以看出Doherty功率放大器的功率附加效率比普通的AB類(lèi)功率放大器附加效率提高了。

3 結 語(yǔ)

如所預期的一樣,Doherty功率放大器能有效地提高功率放大器的功率附加效率,但其線(xiàn)性度會(huì )變差。這與其中的輔助放大器工作在C類(lèi)工作狀態(tài)下有關(guān)。所以在Doherty的基礎上一般都會(huì )另增加線(xiàn)性化電路,以提高功率放大器的線(xiàn)性度。
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