高效率基站Doherty功放的研究

摘要：随着无线通信系统的发展，人们对数据和信息的需求在不断的增加。功率放大器作为通信系统中最重要的模块之一，功放的性能对整个系统性能的影响至关重要。面对高速增长的移动数据业务和频谱资源短缺的威胁，高峰均比(PAR)的调制方式不断出现，如OFDM调制方式，这就对功放的线性度提出了较高的要求。为了保证信号的线性度，一般采用功率回退的方法来实现。以NXP公司的140 W晶体管为模型，在ADS仿真软件中设计对称Doherty仿真电路。设计完成的功放电路能够在6 dB功率范围内保持高效率工作。

关键词：功率放大器； Doherty； 线性度； 效率; 负载牵引

中图分类号：TN9234文献标识码：A文章编号：1004373X(2011)23010403

Research on High Efficiency Doherty Amplifier for Base Station

CHEN Lihua, LUO Yong

(School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

Abstract： With the development of wireless communication systems, the demand for data and information is increased. Power amplifier as one of the most important modules whose performance is essential for the overall system. To overcome the threat of rapid growth of mobile data and services and the shortage of spectrum resources, and for the appearance of modulation modes of high PAR such as OFDM modulation, for which a high requirement on the linearity of PA is put forward. In order to ensure signal linearity, the power back off method is generally used. Doherty technology can make the amplifier maintain high efficiency in a wide rang of power output.

Keywords： power amplifier; Doherty; linearity; efficiency; active load pull technique

收稿日期：20110719

基金项目：国家自然科学基金资助项目(60234030)0引言

随着通信系统的迅速发展，由于无线带宽有限，而导致带宽异常紧张，各种新的调制技术，如LTETDD，WCDMA, 等都采用了复杂的调制方式来减少带宽的占用，在这些技术的应用中，都采用了非恒包络的调制方式，射频信号的峰均比变的越来越大，功放有了很大的输出动态范围，这就对放大器的线性度提出了很高的要求，线性度的提升往往以功率回退的形式来得以实现［1］，而功率回退必然会导致放大器效率的急剧降低。1936年Doherty提出的高效率方案能够很好解决这一难题，Doherty技术能够使放大器在很宽的功率变化范围内保持高效率输出。

Doherty 结构的放大器可以较好的解决功率放大器在功率回退时效率提升的问题，结合前馈和预失真电路，可以在线性度和效率之间做到较好的兼顾，Doherty 电路的基本原理是将输入信号的平均部分和峰值部分分开放大，然后合成，从而获得高效率［2］。

1Doherty结构功放的基本原理

Doherty结构的概念最早由贝尔实验室的W.H.Doherty提出［3］。基本的Doherty电路如图1所示。

图1Doherty结构框图由两个平行放大器构成，一个主功放，又称载波功放，另一个是辅助功放，又称峰值功放。其中，主功放偏置在AB类，辅助功放偏置在C类。主功放后面和辅助功放前面各有一段λ/4的微带线，分别起阻抗变化的作用和相位平衡的作用。两支路经由λ/4微带线进行合路并将放大后的信号输出［4］。当主放大器接近饱和时辅助放大器输出电流，由此减小的主放大器的输出阻抗，这样就能让主放大器在达到饱和时输出更多的电流，这种现象可以用“有源负载牵引”理论来解释［56］。采用该方法可以使主放大器在饱和输出点处功率回退6 dB的情况下获得和输出饱和功率一样的效率［7］。

Doherty功率放大器的基本原理可以根据其工作的三个模式进行解释，分别是低功率输出模式、中等功率输出模式、大功率输出模式。

低功率输出模式时，只有主功放开启，峰值功放尚未开启。所有信号都经过主功放进行放大，此时可以将主功放看作是一个受控电流源。由于峰值功放没有开启，因此峰值功放对输出端呈现高阻状态，可将峰值功放视为开路，如图2(a)所示。由于峰值功放处于开路状态，根据λ/4线的阻抗变换作用，主功放的输出阻抗变换为2Ropt 。因为峰值功放相对主功放来说处于高阻状态，而且主功放的负载阻抗为原来的2倍，所以当主功放输出电流仅有最大值1/2时，电压就接近饱和，此时主功放输出功率仅为最大功率的1/2，但是已经得到了较高的效率。因为峰值功放没有工作，因此主功放的效率也就是整个系统的效率。中等功率输出模式时，当输入激励信号继续增加，中等功率输出时，峰值功放开启，此时系统输出功率已经达到饱和功率回退6 dB时的功率。在这种模式下，主功放的电压达到饱和状态，主功放看作是一个受控电压源。峰值功放的电流和电压都在随着输入的增加在变大，可以将它看作是一个受控电流源。如图2(b)所示，根据动态负载牵引原理，由于峰值功放的开启使得电流增加，从而主功放输出端λ/4线后面的阻抗增加，根据λ/4线的阻抗变换作用，主功放输出端阻抗由2Ropt向Ropt变换，因此在漏极电压保持不变的情况下，主功放能够输出更大的功率。而同时由于主功放的电压保持在饱和的状态，因此主功放的效率较高。随着输入功率的进一步增加，在峰值功放没有达到饱和输出之前，整个电路的效率仍将保持在较高的水平。高功率输出模式时，输入激励信号的强度使得主功放和峰值功放的输出功率均达到饱和状态［8］。此时峰值功放工作在线性状态，如图2(c)所示，当主功放和峰值功放都达到饱和输出功率时，在负载牵引的作用下，主、辅功放输出端阻抗均为Ropt。由于峰值功放也处于饱和状态，因此其效率达到最大，此时整个系统效率也达到的最高［7］。

2Doherty功率放大器设计

2.1单级功放电路设计

本文电路设计主要针对的应用方向为LTETDD基站功率放大器，设计要求则定为：

工作频段2 570~2 620 MHz，平均输出功率为20 W，峰值功率为140 W，PAE为40%，增益为15 dB。

图2三种模式下的Doherty功放Doherty功放电路采用NXP公司的140 W晶体管BLF7G27L140作为仿真模型。而仿真工具为安捷伦公司的ADS(Advance Design System)仿真软件。在选定晶体管之后，先对管子进行直流仿真来确定管子的工作状态。选定工作电压为28 V，栅极电压为2.5 V，漏极静态电流为0.8 A。接下来用Loadpull和GsCir技术对晶体管进行扫描，确定输入和输出的最佳匹配点Zsource和Zload，最后分别将输入/输出匹配到50 Ω［9］。如图3，图4所示。

图3利用Smith圆图设计输入匹配电路图4输出匹配电路设计2.2Doherty结构设计与仿真

电路的设计指标为：频率从2 570~2 620 MHz，最大输出功率140 W，功率回退6 dB时，PAE大于45%，电路可用于LTETDD的基站功放模块中。

设计中功分选用Hybrid90模型，一路输出与输入相位差为0°，接主功放，另外一路延迟90°，接辅助功放［10］。经过反复调试和仿真，最终确定辅助功放偏置在1.4 V，漏极电压为28 V。主功放后的1/4长阻抗变换线只有15.6 mm， 未达到1/4的长度。这个长度主要是取决于负载牵引的效果，同时供电电路上的微带线长度也需要优化，达到对效率和功率的最小影响。Doherty电路仿真结果如图5所示。从仿真结果可以看出输入信号在比较大的动态范围内Doherty功率放大器的效率能够保持在一个比较高的水平。

图5Doherty电路仿真结果3结论

本文详细介绍了一种对称Doherty结构，并描述了整个对称结构的设计过程。通过仿真结果说明了对称结构的优越性，其中最有价值的部分就是比一般功放在总的输出功率和效率上都有提高。此外，这种对称结构Doherty实现方便也是它的另一大优点。

参考文献

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［5］WILLIAMS A, METZGER A G, LARSON L E et al. An extended Doherty amplifier with high efficiency over a wide power range \[J\]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2001, 49(12): 24722479.

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［7］YAMAMOTO Takashi, KITAHLARA Takaya, HIURA Shigeru. 50% Drain efficiency doherty amplifier with optimized power range for WCDMA signal \[C\]// 2007 IEEE MTTS International Microwave Synposium. Honolulu, HI: \[s.n.\], 2007: 12631266.

［8］VISWANATHAN Vani. Efficiency enhancement of base station power ampilifiers using Doherty technique \[D\]. \[S.l.\]: \[s.n.\], 2004.

［9］郑青.Doherty功率放大器的研究［D］.成都：电子科技大学,2009.

［10］宋汉斌,陈晓光.基于Doherty技术的RF高效率大功率放大电路的设计与分析［J］.电路与系统学报，2008,13(6)：9294.

作者简介： 陈理华男，1985年出生，在读硕士研究生。主要从事微波方面的研究工作。

罗勇男，1965年出生，教授，博士生导师。主要从事高功率微波毫米波器件方面的研究工作。