高效Doherty功放在數(shù)字電視前端發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用

摘要：數(shù)字電視發(fā)射機(jī)是采用OFDM調(diào)制方式，因此對發(fā)射機(jī)中功率放大器的效率會提出非常高的要求。針對OFDM信號的高峰均比(PAPR)特性，將Doherty功放引入前端功率放大器，介紹了Doherty功放的原理和基本結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了這種功放電路在數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)了具體的實(shí)際電路，并進(jìn)行測試，取得實(shí)際的結(jié)果。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的Doherty功放很好地解決了目前數(shù)字電視前端發(fā)射機(jī)存在的效率低的問題，具有很大的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電視；Doherty；數(shù)字電視發(fā)射機(jī)；功率放大器

0 引言
    OFDM信號頻譜利用率高，抗碼間串?dāng)_(ISI)性能強(qiáng)，它將是第4代移動通信的核心技術(shù)。由于OFDM信號是由多個獨(dú)立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號疊加而成，合成信號有可能產(chǎn)生很高的峰值平均功率比(PAPR)，當(dāng)該信號通過非線性高功率放大器時，功率放大器的非線性特性會使信號產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，使各子載波間正交性被破壞，產(chǎn)生載波間串?dāng)_(ICI)，高效率的功率放大器也就成為OFDM系統(tǒng)的重點(diǎn)。目前，采用Frees-
cale公司的MRF9060進(jìn)行設(shè)計(jì)的前饋功率放大器，其效率可以達(dá)到30％。而Doherty功放，由于其工作在C類，理論上其效率可以達(dá)到75 ％，因此在移動通信前端功放中得到廣泛應(yīng)用。Doherty功放結(jié)合預(yù)失真技術(shù)使用在數(shù)字電視前端系統(tǒng)中，使得數(shù)字電視前端功放的效率得到進(jìn)一步的提高，與原來的前饋相比，實(shí)際工作效率至少可以提高10％，因此，Doherty功放在數(shù)字電視前端系統(tǒng)中的應(yīng)用也將越來越廣泛。本次設(shè)計(jì)主要介紹Doherty功放在數(shù)字電視前端發(fā)射系統(tǒng)中的應(yīng)用，以提高前端發(fā)射系統(tǒng)的效率。

1 Doherty功率放大器原理概述
    Doherty功率放大器是一種專門針對非恒定包絡(luò)的調(diào)制信號的高效線性功率放大器，由美國Bell實(shí)驗(yàn)室的射頻工程師W．H．Doherty于1936年首次提出。其原理如圖1所示。

    Doherty放大器主要由載波放大器和峰值放大器兩個功率放大單元組成。信號從放大器的輸入端進(jìn)入，經(jīng)過功分器分成兩路分別輸入載波放大器和峰值放大器。經(jīng)過放大器之后兩路信號最終在末端直接耦合輸出。Doherty功率放大器的最主要的特點(diǎn)在于它有兩個結(jié)構(gòu)相同，靜態(tài)工作點(diǎn)偏置不同的放大單元，通常將載波放大器設(shè)置成AB類放大器，而峰值放大器的偏置設(shè)置為C類放大器。Doherty放大器的另一個特點(diǎn)是載波放大器和峰值放大器的結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體特性的一致性要求很高。
    主功放工作在B類，當(dāng)輸入信號比較小的時候，只有主功放處于工作狀態(tài)；當(dāng)管子的輸出電壓達(dá)到峰值飽和點(diǎn)時，理論上的效率能達(dá)到78．5％。如果這時候?qū)⒓罴哟笠槐?，那么，管子在達(dá)到峰值的一半時就出現(xiàn)飽和了，效率也達(dá)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(shè)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(fù)載減小了，因?yàn)檩o助功放對負(fù)載的作用相當(dāng)于串聯(lián)了一個負(fù)阻抗，所以，即使主功放的輸出電壓飽和恒定，但輸出功率因?yàn)樨?fù)載的減小卻持續(xù)增大(流過負(fù)載的電流變大了)。當(dāng)達(dá)到激勵的峰值時，輔助功放也達(dá)到了自己效率的最大點(diǎn)，這樣兩個功放合在一起的效率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)在峰值處，現(xiàn)在78．5％的效率在峰值的一半就出現(xiàn)了。所以這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能達(dá)到很高的效率(每個放大器均達(dá)到最大的輸出效率)。

2 利用計(jì)算機(jī)軟件仿真Doherty功率放大器
    在微波電路仿真中，ADS軟件相對比較成熟。這里就是利用ADS仿真軟件來實(shí)現(xiàn)全匹配的Doherty功率放大器仿真。圖2是系統(tǒng)仿真示意圖。

    圖3是Doherty功率放大器傳輸功率增益和效率的仿真結(jié)果圖。

    從傳輸效率增益可以看出該放大器功率在15 dB，其P1dB在49 dBm，P3dB壓縮點(diǎn)達(dá)到50 dBm，從效率圖上可以明顯看出在功率回退P6dB的效率達(dá)到52％，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的AB類放大器，這充分體現(xiàn)了Doherty功率放大器的優(yōu)點(diǎn)。

3 Doherty功率放大器實(shí)際電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)理論分析，設(shè)計(jì)了Doherty功率放大器實(shí)際應(yīng)用電路。采用的是飛思卡爾公司的功率放大器芯片。具體設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和測試結(jié)果分析
    對于一般的RF板材，其介電常數(shù)會隨著放大器工作時發(fā)熱導(dǎo)致的溫度變化而變化，從而導(dǎo)致整個電路損耗也不穩(wěn)定，影響電路性能。因此采用RF35型號板材作PCB電路板，其介電常數(shù)在放大器工作時發(fā)熱導(dǎo)致的溫度變化比較穩(wěn)定。利用頻譜分析儀和頻率信號發(fā)生器，對功率放大器進(jìn)行測試，得出的測試結(jié)果為Doherty功率放大器在輸出功率36 dBm的情況下，效率為28％，實(shí)際測試結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的差距，但
總體上結(jié)果還是較為吻合的，如圖5所示。

5 結(jié)語
    將Doherty功率放大器引入數(shù)字電視前端發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，大大提高了前端發(fā)射系統(tǒng)的效率，通過結(jié)合相應(yīng)的線性化技術(shù)，比如前饋技術(shù)，就可以使得數(shù)字電視前端發(fā)射機(jī)的整機(jī)性能在效率和線性度上得到充分的保證。通過測試結(jié)果表明，Doherty技術(shù)能夠較好地滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對功率放大器的要求，將有非常廣闊的應(yīng)用前景。