Doherty功率放大器研究與實現

胡寧加，周祖望，高金萍，周世軍

（武漢虹信通信技術有限責任公司，湖北武漢 430074）

Doherty功率放大器研究與實現

胡寧加，周祖望，高金萍，周世軍

（武漢虹信通信技術有限責任公司，湖北武漢 430074）

在無線通信系統中，功率放大器的性能是否優良將直接影響整個通信基站的性能。介紹了一種工作頻段在1 037～1 057 MHz采用Doherty結構的高效率功率放大器的仿真和設計過程。通過對其原理的理論推導，結合仿真對性能的分析。最終測試的結果顯示實際輸出效率39.7%，輸出功率44 dBm。測試結果證實本設計能夠滿足在通信系統中的應用，顯示Doherty架構比傳統的回退技術具有更高的效率。

功率放大器;效率;Doherty結構

無線通信發展迅速，高效率、高速率是無線系統的迫切需求。在無線通信中，射頻系統是其重要的部分，功率放大器作為射頻系統的前端模塊，它的成本大約占到基站的1/3;功耗占整個基站的70%。因此高效率功率放大器的設計成為無線通信系統中的難點和重點。Doherty功放配合預失真技術，在高峰均比條件下能兼顧線性放大和高效率，因此Doherty功放結構被各大通信設備商使用。本文介紹一種通過ADS軟件仿真來設計Doherty放大器的方法。

1 Doherty技術原理

傳統功率放大器設計采用功率回退的方法，但犧牲了功放的效率［1］。在現在的通信射頻系統中，大多數都采用多載波調制技術，高的峰均必使回退的線性放大器設計效率極低，通常只有15%左右。Dohert結構功放配合數字預失真技術可以很好地提升功率效率，效率可以提升到35%以上。

1.1 Doherty結構放大器工作模式簡介

久負盛名的貝爾實驗室的W.H.Doherty先生提出的Doherty結構方案近年來逐漸被通信廠商所采用［2］。Doherty結構的功率放大器由兩個工作在不同狀態的放大器所組成，一個是主放大器，工作在AB類，一個是從放大器（也稱峰值放大器），工作在C類狀態下［3］。輸入的射頻信號由功分器進行信號的分路，然后再將主放大器的輸出信號和峰值放大器輸出的信號進行合路。以此來獲得高效率。Doherty結構電路如圖1所示，兩個放大器由1/4波長微帶線進行連接，主放大器連接的1/4波長微帶線作用是進行阻抗的變換，峰值放大器連接的1/4波長微帶線的作用是平衡輸出端兩路信號的相位。主放大器輸出功率接近極限時，峰值放大器開始輸出電流。以此來減小主放大器的輸出阻抗［4－5］。采用上述方案可以使Doherty結構放大器的主放大器在飽和功率輸出點回退6 dB時，依然可以獲得輸出飽和功率一樣的效果。

圖1 功放Doherty結構原理框圖

1.2 Doherty原理推導

Doherty功率放大器電路圖如圖2所示。

圖2 Doherty結構電路圖

根據圖2可得

式中:V1I1=V2I2。

根據參量矩陣有

將式（4）代入式（1）、（2）可得

將式（5）代入式（3）可得

則主功放管輸出電壓為

將式（8）化簡得到

若V1保持沒有變化，主放大器輸出電流為Imax/2時，要想滿足放大器的輸出功率與輸出峰值功率相同的效率時，就必須滿足ZTL=2Zload。即1/4波長微帶線阻抗為負載阻抗的2倍。與此同時，主放大器的輸出阻抗在1/4波長微帶線的作用下，阻抗值是未轉換前的2倍［6］。主放大器在進行峰值功率輸出時，電流輸出為峰值電流的一半［7］。

2 功率放大器的仿真與設計

系統要求功放模塊輸出功率25 W，中心頻點1 047 MHz，頻帶帶寬20 MHz，峰均比 7.5 dB。基于設計要求，在設計時，器件選型上雙管功率在120～150 W的功放管，但這個功率等級且又能工作在1 047 MHz的放大管很少。FREESCALE公司的MRFE6S9060工作頻率較接近，但MRFE6S9060 DATASHEET中的頻率使用范圍為820～980 MHz。如果沒有芯片廠商官方的技術支持，為確定功率放大器是否能工作在需要的頻率，傳統的方法需要在評估板上去調試，調試方向比較盲目，調試結果的說服性也有限。為評估該管是否能超頻使用，這里使用安捷倫公司ADS仿真軟件對功放管單管做負載牽引仿真，仿真結果作為選管依據。

2.1 單管負載牽引仿真原理圖和仿真結果

負載牽引是功率放大器得到最佳負載阻抗的方法，但其試驗設備復雜昂貴。本文采用軟件仿真來得到功放進行負載牽引，負載牽引仿真原理圖如圖3所示。這種方法可以得到最佳的輸出功率點和最佳效率點。從仿結果來看（如圖4），最佳功率點阻抗為Z=2.946 － j0.007，其輸出功率為49.5 dBm;最佳效率點的阻抗Z=1.3+j1.6，此時功放管效率為 74.62%。MRFE6S9060可以在1 047 MHz使用。在這里選取最大功率阻抗ZLoad=2.946－j0.007作為輸出阻抗，此時功放管在輸出49.5 dBm時效率為56.1%。

圖3 負載牽引仿真原理圖

圖4 負載牽引仿真結果（截圖）

2.2 單管增益仿真和3 dB壓縮點仿真

通過ADS的匹配工具，得到功率放大器所需要的輸出阻抗和其相對應的輸入阻抗。以下為仿真放大管的單管增益和壓縮點仿真結果。放大器大信號增益仿真原理圖如圖5所示。

圖5 放大器大信號增益仿真原理圖

從圖6的仿真結果可以得知，在放大器進行小信號輸入時，放大器增益20.1 dB。隨著輸入功率逐漸增大，放大器進入到了功率飽和狀態，增益逐步壓縮。根據放大器3 dB壓縮點的定義，增益下降3 dB時功放管的輸出功率即為放大器功率3 dB壓縮點。該功放管3 dB壓縮點輸出功率48.6 dBm，滿足系統指標的要求。

2.3 Doherty結構合路設計

在本文中Doherty功放結構的主功放管和峰值功放管是同一型號的功放管，匹配電路基本相同（區別就在于柵極電壓不同），功率容量為單管的兩倍，在理論上雙管的合路功率為51.6 dBm。

3 功率放大器性能測試

圖6 功放管3 dB壓縮點仿真結果

在完成上述電路設計后，利用信號源和頻譜分析儀對功率放大器性能指標進行測試。主功放管柵極2.6 V，漏極電壓28 V，后級峰值功放管放大器柵極電壓1.4 V，漏極電壓28 V。實際測試結果是下行增益18 dB，輸出44 dBm。在28 V狀態下，電源顯示電流2.23 A，效率39.7%。雖然隔離器和3 dB電橋損耗了一部分功率，但是基本符合預期要求。功率放大器實物如圖7所示。

圖7 Doherty功放實物圖

ACPR（鄰信道功率比）常定義為鄰頻率信道（或偏移量）的平均功率和發射頻率信道的平均功率之比。在功率放大器ACPR測試中，采用峰均比為7.5的源進行測試。整個Doherty放大器在輸出44 dBm（25 W）的時候，間隔載波－20 MHz的 ACPR為－36.2 dBc，間隔載波+20 MHz的 ACPR為－35.9 dBc。間隔載波－40 MHz的 ACPR為－52.2 dBc，間隔載波+40 MHz的 ACPR為－50.4 dBc。結合其他的線性化技術，比如DPD數字預失真等，可以改善它的線性度。

本文通過觀測調制信號的互補累計分布函數（Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF）來讀取放大管的3 dB壓縮點，如圖8所示。輸入信號的PAR=10.4 dB（圖8a中0.01%點），隨著輸入信號的增加，峰值功率接近飽和狀態，當PAR=7.65 dB（圖8b中0.01%點）時，對應的PEAK功率即為功放的3 dB壓縮點。從實測結果來看，功放的3 dB壓縮點為52.5 dBm。實測結果和仿真結果非常接近，設計滿足系統要求。

圖8 功放3 dB壓縮點測試結果圖（截圖）

4 小結

相比于其他效率增強技術，如包絡跟蹤（Envelope Tracking，ET），包絡分離和恢復（Envelope Elimination and Restoration，EER）以及開關類（Class F）功放，Doherty 功放在目前有著很大的優勢:毋需外圍復雜的包絡控制電路，與DPD線性化技術配合相得益彰，采用動態負載牽引技術，電路實現相對簡單且能保證一定的線性［8］。本文通過對Doherty功率放大器的工作原理進行了描述，以及運用ADS仿真軟件對放大器進行了仿真驗證。測試結果顯示軟件仿真得到的結果在實際運用中吻合度很高，仿真結果對實際的功率放大器開發具有指導作用。

:

［1］李俊，譚秋林，崔永俊，等.基于AD9910的高頻多模信號發生器的設計［J］.電視技術，2012，36（9）:51－53.

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［3］曹俊文.寬帶實時脈沖壓縮技術研究與實現［M］.武漢:華中科技大學，2008.

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［5］陳會，張玉興.基于多諧波雙向牽引技術的微波功率放大器設計［J］.微波學報，2010，24（3）:57－60.

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［7］LUDWIG R，BRETCHKO P.RF circuit design:theory and applications［M］.Princeton:Prentice Hall，2000.

［8］YANG Y，YI J，WOO Y Y，et al.Optimum design for linearity and efficiency of microwave Doherty amplifier using a new load matching technique［J］.Microwave Journal，2011，44（12）:20－36.

周祖望（1970— ），碩士生導師，主研移動通信測試技術等;

高金萍（1966— ），女，高級工程師，主研射頻小信號;

周世軍（1978— ），高級工程師，主研第四代通信技術。

Design and Realization of Doherty Power Amplifier

HU Ningjia，ZHOU Zuwang，GAO Jinping，ZHOU Shijun

（Wuhan Hongxin Telecom Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）

In a wireless communication system，the capability of the power amplifier would directly affect the performance of the entire base station.The process simulation and design of the high efficiency Doherty power amplifier is proposed which is working between the band of 1 037 MHz and 1 057 MHz.Derived by its principles theory，combined with the analysis of simulation result，the final test results show that the actual output efficiency is 39.7%，the output power is 44 dBm.Test results confirm that the present design is able to meet the application in a communication system，the display Doherty architecture has a higher efficiency than the conventional fallback technology.

power amplifier;efficiency;doherty structure

TN722.75

A

【本文獻信息】胡寧加，周祖望，高金萍，等.Doherty功率放大器研究與實現［J］.電視技術，2013，37（13）.

國家科技重大專項（2012ZX03001035）

胡寧加（1987— ），碩士生，主研功率放大器;

責任編輯:魏雨博

2012－11－12