250 W三路高功率Doherty放大器的設(shè)計(jì)

摘要：為了提高數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的效率，采用一種新型的三路Doherty電路?；趥鬏斁€理論和有源負(fù)載牽引理論，推導(dǎo)出三路Doherty的工作原理，同時(shí)利用ADS設(shè)計(jì)一個(gè)雙三路Doherty電路，并用于數(shù)字電視發(fā)射機(jī)。仿真結(jié)果表明，該放大器在功率回退9．1 dB時(shí)，出現(xiàn)第一個(gè)效率峰值點(diǎn)，在整個(gè)回退范圍內(nèi)具有3個(gè)效率峰值點(diǎn)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在610 MHz中心頻率和54 dBm輸出功率下，該放大器的效率可達(dá)41．2％。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電視發(fā)射機(jī)；功率放大器；三路Doherty電路；效率峰值點(diǎn)

0 引言
    現(xiàn)代通信系統(tǒng)和數(shù)字電視系統(tǒng)中，各種先進(jìn)技術(shù)的使用，使得信號(hào)具有很高的峰均比。為了滿足線性要求，射頻功率放大器必須工作在深度回退狀態(tài)，因此效率很低，進(jìn)而增加系統(tǒng)散熱成本，也給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。目前，提出的效率增強(qiáng)技術(shù)有包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)(EER)、包絡(luò)跟蹤技術(shù)(ET)、利用非線性元件線性放大技術(shù)(LINC)和Doherty技術(shù)等。Doherty技術(shù)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，得到了廣泛應(yīng)用。
    然而傳統(tǒng)的兩路對(duì)稱Doherty其高效率的動(dòng)態(tài)范圍為6 dB，對(duì)于具有更高峰均比的信號(hào)，其提高效率的性能是有限的。為了進(jìn)一步提高Doherty的效率，采用的結(jié)構(gòu)有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)和多路結(jié)構(gòu)。其中，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)雖然可以拓展高效率范圍，但其效率在兩個(gè)峰值點(diǎn)之間明顯下降；而多路結(jié)構(gòu)不但能拓展效率范圍，并且有多個(gè)效率峰值點(diǎn)，具有更高的效率。本文將介紹兩種結(jié)構(gòu)的三路Doherty電路，然后基于傳輸線理論和有源負(fù)載牽引理論推導(dǎo)出它們的工作原理；同時(shí)利用ADS設(shè)計(jì)一個(gè)新型的應(yīng)用在數(shù)字電視發(fā)射機(jī)上的250 W雙三路Doherty電路。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路在峰均比為10 dB的OFDM數(shù)字電視信號(hào)下，輸出功率為250 W時(shí)，效率可達(dá)41．2％。

1 三路Doherty的工作原理
    傳統(tǒng)的三路Doherty電路如圖1所示，文獻(xiàn)已經(jīng)詳細(xì)推導(dǎo)了其工作原理。理論上該電路在一定的功率回退范圍內(nèi)有3個(gè)效率峰值點(diǎn)，但其存在的問(wèn)題是：當(dāng)輸出功率達(dá)到一定水平時(shí)，主功放的負(fù)載調(diào)制作用中斷而處于深度飽和狀態(tài)，從而引起嚴(yán)重的線性問(wèn)題；同時(shí)當(dāng)所選器件功率比為1：1：1時(shí)，第一個(gè)效率峰值點(diǎn)出現(xiàn)的位置同兩路對(duì)稱Doherty一樣，在回退6 dB處時(shí)，該結(jié)構(gòu)并不能拓寬高效率的范圍，只是在回退6 dB的范圍內(nèi)進(jìn)一步改善效率。

    本文將介紹一種新型的三路Doherty電路，它能充分發(fā)揮負(fù)載阻抗的調(diào)制作用；同時(shí)，當(dāng)器件功率比為1：1：1時(shí)，它能在更大回退范圍內(nèi)獲得高效率。新型三路Doherty的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它同樣由1個(gè)主功放和2個(gè)峰值功放組成，與傳統(tǒng)三路不同的是它將兩路Doherty中的峰值功放再用一個(gè)Doherty結(jié)構(gòu)代替；同時(shí)為了保持各路功放輸出相位的一致，在主功放和峰值功放2輸入端加入了90°傳輸線。
1．1 負(fù)載調(diào)制分析
    通常狀況下，功放的負(fù)載阻抗是恒定的，由于輸出電壓擺幅只在峰值功率處達(dá)到最大，因而只有一個(gè)最大效率點(diǎn)。而Doherty功放能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)的負(fù)載阻抗調(diào)制，因而在一定功率回退范圍內(nèi)也能獲得高效率。假設(shè)傳輸線是無(wú)耗的，主功放和峰值功放可等效為理想的線性電流源。根據(jù)圖3的原理圖，利用傳輸線理論和有源負(fù)載牽引理論，經(jīng)計(jì)算主功放、峰值功放1和峰值功放2的輸出阻抗分別為：
   
    式中：Im，Ip1和Ip2分別為主功放、峰值功放1和峰值功放2的輸出電流。

    圖4顯示了器件功率比為1：1：1時(shí)，各功放歸一化阻抗隨歸一化輸出電壓的關(guān)系。由圖可知，隨著輸出電壓的增大，主功放、Peak1和Peak2依次開(kāi)啟，各功放的輸出阻抗處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。其中，主功放的輸出阻抗從150 Ω變到100 Ω，之后再變到50 Ω；Peak1由開(kāi)路變到200 Ω后再變到50 Ω，Peak2則由開(kāi)路變到50 Ω。因此，此結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)三路中主功放阻抗調(diào)制中斷的情形，即主功放不會(huì)提早進(jìn)入功率飽和狀態(tài)，所以具有較好的線性。

1．2 效率
    本文的新型三路Doherty理論效率可用式(2)計(jì)算：
   
    式中：η為漏極效率；Vom為圖3中R點(diǎn)電壓；VDD1，VDD2和VDD3分別為主功放、峰值功放1和2的漏極直流電壓；α1和α2分別為第二輸出功率回退點(diǎn)(第一效率峰值點(diǎn))和第一輸出功率回退點(diǎn)(第二效率峰值點(diǎn))。對(duì)于本文，功率比為1：1：1的三路Doherty，α1=1／3，α2=1／2。圖5顯示了不同功率比的新型三路Doherty的理想效率曲線。

2 電路設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果
    為了驗(yàn)證新型三路Doherty的性能，本文利用ADS軟件進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。為了獲得高功率，本文選擇Freeseale推出的大功率器件MRF6VP 3450。它基于VHV6的50VLDMOS技術(shù)，工作于UHF波段，在DVB-T OFDM信號(hào)下平均輸出功率可達(dá)90 W。由于MRF3450為對(duì)管結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)，利用3個(gè)MRF6VP3450制作了一個(gè)新型的雙三路Doherty電路，如圖6所示。首先，在輸入端，利用威爾金森功分器將信號(hào)分成兩路，分別送往上下兩個(gè)三路Doherty的輸入端；接著每個(gè)分路用三個(gè)90°的電橋完成四分路設(shè)計(jì)，將其中相移0°的分路接峰值功放1，相移90°的分路分別接主功放和峰值功放2，相移180°的分路接50 Ω的負(fù)載；輸出端則采用新型的三路Doherty阻抗網(wǎng)絡(luò)，最后再將兩路信號(hào)用二合路器合成。
    設(shè)計(jì)時(shí)，首先將主功放偏置于AB類(lèi)，利用ADS的源牽引和負(fù)載牽引模板，找到最佳的源阻抗和負(fù)載阻抗，然后利用電容和分布傳輸線進(jìn)行輸入和輸出電路的匹配。將峰值功放1和2偏置于C類(lèi)狀態(tài)，而匹配電路與主功放相同，優(yōu)化時(shí)再進(jìn)行微調(diào)，這樣就完成了主峰值功放的設(shè)計(jì)。由于低功率時(shí)，主功放的等效負(fù)載阻抗為150 Ω，而匹配則是在50 Ω的情況下進(jìn)行，從而造成低功率時(shí)，主功放不匹配現(xiàn)象；同時(shí)，當(dāng)輔助功放1和2截止時(shí)，其輸出端應(yīng)為開(kāi)路，但實(shí)際情況則是其看進(jìn)去的阻抗處于低阻狀態(tài)，從而造成主功放的輸出功率泄露到峰值功放支路上，這嚴(yán)重影響了Doherty功放的性能。因此，在各功放的輸出端，要加入相應(yīng)的補(bǔ)償線。其中，主功放后的補(bǔ)償線用于改善低功率時(shí)的匹配狀況，而峰值功放后的補(bǔ)償線用于將峰值功放未開(kāi)啟時(shí)的小阻抗變?yōu)榇笞杩?，從而?shí)現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài)。由于各功放的補(bǔ)償線不一致，并且各路放大器工作狀態(tài)不同，因此在各路放大器的輸入端也要加入相應(yīng)的補(bǔ)償線，以使得相位保持一致。

    經(jīng)過(guò)對(duì)輸入、輸出補(bǔ)償線的優(yōu)化，以及各功放柵壓的優(yōu)化，其中主功放柵壓取2．8 V，Peak1的柵壓取0．8 V，Peak2柵壓取-2．0 V，漏極電壓均取48 V。最后得到的仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可以看出，在功率回退9．1 dB(輸出功率為53．96 dBm)處，出現(xiàn)第一個(gè)效率峰值點(diǎn)，漏極效率達(dá)到60．17％；在功率回退5．6 dB(輸出功率為57．50 dBm)處，出現(xiàn)第二效率峰值點(diǎn)，效率達(dá)到61．71％；在峰值功率63．13 dBm處，出現(xiàn)第三個(gè)效率峰值點(diǎn)，效率達(dá)到72．2％。仿真得到的結(jié)果與理論分析結(jié)果較吻合，驗(yàn)證了新型三路Doherty的高效性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖8為實(shí)際制作的雙三路Doherty實(shí)物圖，其中介質(zhì)板材選用Rogers 4003，介電常數(shù)為3．5，板材厚度為31 mil。經(jīng)測(cè)試，該放大器的飽和功率可達(dá)61．7 dBm。圖9為中心頻率為610 MHz，8 MHz帶寬的DTMB-64QAM信號(hào)的測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，在飽和功率回退9．7 dB(輸出功率為52 dBm)時(shí)，該放大器的漏極效率為38％，ACPR為-32．3 dBc，回退7．7 dB(輸出功率為54 dBm)時(shí)，效率可達(dá)41．2％。實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的差距，但基本上還是吻合的，證明了該種結(jié)構(gòu)的可行性。

4 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)用于數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)的250 W的Doherty功率放大器。為了進(jìn)一步提高Doherty功放的效率，采用了新型的三路Doherty結(jié)構(gòu)，理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)表明，它具有動(dòng)態(tài)的阻抗調(diào)制性能，不僅能夠拓展高效率的動(dòng)態(tài)范圍，而且在回退范圍內(nèi)具有3個(gè)效率峰值點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)效率。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，它適合于具有高峰均比信號(hào)的數(shù)字電視系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。