摘要：為了提高數(shù)字電視發(fā)射機的效率，采用一種新型的三路Doherty電路。基于傳輸線理論和有源負載牽引理論，推導出三路Doherty的工作原理，同時利用ADS設計一個雙三路Doherty電路，并用于數(shù)字電視發(fā)射機。仿真結果表明，該放大器在功率回退9．1 dB時，出現(xiàn)第一個效率峰值點，在整個回退范圍內(nèi)具有3個效率峰值點。實測結果表明，在610 MHz中心頻率和54 dBm輸出功率下，該放大器的效率可達41．2％。
關鍵詞：數(shù)字電視發(fā)射機；功率放大器；三路Doherty電路；效率峰值點
0 引言
現(xiàn)代通信系統(tǒng)和數(shù)字電視系統(tǒng)中，各種先進技術的使用，使得信號具有很高的峰均比。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，進而增加系統(tǒng)散熱成本，也給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來嚴峻考驗。目前，提出的效率增強技術有包絡消除與恢復技術(EER)、包絡跟蹤技術(ET)、利用非線性元件線性放大技術(LINC)和Doherty技術等。Doherty技術由于結構簡單，易于實現(xiàn)，得到了廣泛應用。
然而傳統(tǒng)的兩路對稱Doherty其高效率的動態(tài)范圍為6 dB，對于具有更高峰均比的信號，其提高效率的性能是有限的。為了進一步提高Doherty的效率，采用的結構有非對稱結構和多路結構。其中，非對稱結構雖然可以拓展高效率范圍，但其效率在兩個峰值點之間明顯下降；而多路結構不但能拓展效率范圍，并且有多個效率峰值點，具有更高的效率。本文將介紹兩種結構的三路Doherty電路，然后基于傳輸線理論和有源負載牽引理論推導出它們的工作原理；同時利用ADS設計一個新型的應用在數(shù)字電視發(fā)射機上的250 W雙三路Doherty電路。仿真及實驗結果表明，該電路在峰均比為10 dB的OFDM數(shù)字電視信號下，輸出功率為250 W時，效率可達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，文獻已經(jīng)詳細推導了其工作原理。理論上該電路在一定的功率回退范圍內(nèi)有3個效率峰值點，但其存在的問題是：當輸出功率達到一定水平時，主功放的負載調制作用中斷而處于深度飽和狀態(tài)，從而引起嚴重的線性問題；同時當所選器件功率比為1：1：1時，第一個效率峰值點出現(xiàn)的位置同兩路對稱Doherty一樣，在回退6 dB處時，該結構并不能拓寬高效率的范圍，只是在回退6 dB的范圍內(nèi)進一步改善效率。
本文將介紹一種新型的三路Doherty電路，它能充分發(fā)揮負載阻抗的調制作用；同時，當器件功率比為1：1：1時，它能在更大回退范圍內(nèi)獲得高效率。新型三路Doherty的結構如圖2所示，它同樣由1個主功放和2個峰值功放組成，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Doherty結構代替；同時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 負載調制分析
通常狀況下，功放的負載阻抗是恒定的，由于輸出電壓擺幅只在峰值功率處達到最大，因而只有一個最大效率點。而Doherty功放能夠實現(xiàn)動態(tài)的負載阻抗調制，因而在一定功率回退范圍內(nèi)也能獲得高效率。假設傳輸線是無耗的，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載牽引理論，經(jīng)計算主功放、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，各功放歸一化阻抗隨歸一化輸出電壓的關系。由圖可知，隨著輸出電壓的增大，主功放、Peak1和Peak2依次開啟，各功放的輸出阻抗處于動態(tài)變化過程。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由開路變到200 Ω后再變到50 Ω，Peak2則由開路變到50 Ω。因此，此結構不會出現(xiàn)傳統(tǒng)三路中主功放阻抗調制中斷的情形，即主功放不會提早進入功率飽和狀態(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)計算：
式中：η為漏極效率；Vom為圖3中R點電壓；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(第一效率峰值點)和第一輸出功率回退點(第二效率峰值點)。對于本文，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 電路設計及仿真結果
為了驗證新型三路Doherty的性能，本文利用ADS軟件進行了仿真設計。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，工作于UHF波段，在DVB-T OFDM信號下平均輸出功率可達90 W。由于MRF3450為對管結構，設計時，利用3個MRF6VP3450制作了一個新型的雙三路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分成兩路，分別送往上下兩個三路Doherty的輸入端；接著每個分路用三個90°的電橋完成四分路設計，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的負載；輸出端則采用新型的三路Doherty阻抗網(wǎng)絡，最后再將兩路信號用二合路器合成。
設計時，首先將主功放偏置于AB類，利用ADS的源牽引和負載牽引模板，找到最佳的源阻抗和負載阻抗，然后利用電容和分布傳輸線進行輸入和輸出電路的匹配。將峰值功放1和2偏置于C類狀態(tài)，而匹配電路與主功放相同，優(yōu)化時再進行微調，這樣就完成了主峰值功放的設計。由于低功率時，主功放的等效負載阻抗為150 Ω，而匹配則是在50 Ω的情況下進行，從而造成低功率時，主功放不匹配現(xiàn)象；同時，當輔助功放1和2截止時，其輸出端應為開路，但實際情況則是其看進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，要加入相應的補償線。其中，主功放后的補償線用于改善低功率時的匹配狀況，而峰值功放后的補償線用于將峰值功放未開啟時的小阻抗變?yōu)榇笞杩?，從而實現(xiàn)開路狀態(tài)。由于各功放的補償線不一致，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的補償線，以使得相位保持一致。
經(jīng)過對輸入、輸出補償線的優(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)第一個效率峰值點，漏極效率達到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，效率達到61．71％；在峰值功率63．13 dBm處，出現(xiàn)第三個效率峰值點，效率達到72．2％。仿真得到的結果與理論分析結果較吻合，驗證了新型三路Doherty的高效性。
3 實驗結果
圖8為實際制作的雙三路Doherty實物圖，其中介質板材選用Rogers 4003，介電常數(shù)為3．5，板材厚度為31 mil。經(jīng)測試，該放大器的飽和功率可達61．7 dBm。圖9為中心頻率為610 MHz，8 MHz帶寬的DTMB-64QAM信號的測試結果。從測試結果可以看出，在飽和功率回退9．7 dB(輸出功率為52 dBm)時，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，效率可達41．2％。實際測試結果與仿真結果有一定的差距，但基本上還是吻合的，證明了該種結構的可行性。
4 結論
本文設計并制作了一個用于數(shù)字電視廣播發(fā)射機的250 W的Doherty功率放大器。為了進一步提高Doherty功放的效率，采用了新型的三路Doherty結構，理論分析及仿真實驗表明，它具有動態(tài)的阻抗調制性能，不僅能夠拓展高效率的動態(tài)范圍，而且在回退范圍內(nèi)具有3個效率峰值點，大大提高了系統(tǒng)效率。實測結果表明，它適合于具有高峰均比信號的數(shù)字電視系統(tǒng)，具有廣泛的應用前景。
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