250 W三路高功率Doherty放大器的设计

摘要：为了提高数字电视发射机的效率，采用一种新型的三路Doherty电路。基于传输线理论和有源负载牵引理论，推导出三路Doherty的工作原理，同时利用ADS设计一个双三路Doherty电路，并用于数字电视发射机。仿真结果表明，该放大器在功率回退9．1 dB时，出现第一个效率峰值点，在整个回退范围内具有3个效率峰值点。实测结果表明，在610 MHz中心频率和54 dBm输出功率下，该放大器的效率可达41．2％。
关键词：数字电视发射机；功率放大器；三路Doherty电路；效率峰值点

0 引言
    现代通信系统和数字电视系统中，各种先进技术的使用，使得信号具有很高的峰均比。为了满足线性要求，射频功率放大器必须工作在深度回退状态，因此效率很低，进而增加系统散热成本，也给系统稳定性带来严峻考验。目前，提出的效率增强技术有包络消除与恢复技术(EER)、包络跟踪技术(ET)、利用非线性元件线性放大技术(LINC)和Doherty技术等。Doherty技术由于结构简单，易于实现，得到了广泛应用。
    然而传统的两路对称Doherty其高效率的动态范围为6 dB，对于具有更高峰均比的信号，其提高效率的性能是有限的。为了进一步提高Doherty的效率，采用的结构有非对称结构和多路结构。其中，非对称结构虽然可以拓展高效率范围，但其效率在两个峰值点之间明显下降；而多路结构不但能拓展效率范围，并且有多个效率峰值点，具有更高的效率。本文将介绍两种结构的三路Doherty电路，然后基于传输线理论和有源负载牵引理论推导出它们的工作原理；同时利用ADS设计一个新型的应用在数字电视发射机上的250 W双三路Doherty电路。仿真及实验结果表明，该电路在峰均比为10 dB的OFDM数字电视信号下，输出功率为250 W时，效率可达41．2％。

1 三路Doherty的工作原理
    传统的三路Doherty电路如图1所示，文献已经详细推导了其工作原理。理论上该电路在一定的功率回退范围内有3个效率峰值点，但其存在的问题是：当输出功率达到一定水平时，主功放的负载调制作用中断而处于深度饱和状态，从而引起严重的线性问题；同时当所选器件功率比为1：1：1时，第一个效率峰值点出现的位置同两路对称Doherty一样，在回退6 dB处时，该结构并不能拓宽高效率的范围，只是在回退6 dB的范围内进一步改善效率。

    本文将介绍一种新型的三路Doherty电路，它能充分发挥负载阻抗的调制作用；同时，当器件功率比为1：1：1时，它能在更大回退范围内获得高效率。新型三路Doherty的结构如图2所示，它同样由1个主功放和2个峰值功放组成，与传统三路不同的是它将两路Doherty中的峰值功放再用一个Doherty结构代替；同时为了保持各路功放输出相位的一致，在主功放和峰值功放2输入端加入了90°传输线。
1．1 负载调制分析
    通常状况下，功放的负载阻抗是恒定的，由于输出电压摆幅只在峰值功率处达到最大，因而只有一个最大效率点。而Doherty功放能够实现动态的负载阻抗调制，因而在一定功率回退范围内也能获得高效率。假设传输线是无耗的，主功放和峰值功放可等效为理想的线性电流源。根据图3的原理图，利用传输线理论和有源负载牵引理论，经计算主功放、峰值功放1和峰值功放2的输出阻抗分别为：
   
    式中：Im，Ip1和Ip2分别为主功放、峰值功放1和峰值功放2的输出电流。

    图4显示了器件功率比为1：1：1时，各功放归一化阻抗随归一化输出电压的关系。由图可知，随着输出电压的增大，主功放、Peak1和Peak2依次开启，各功放的输出阻抗处于动态变化过程。其中，主功放的输出阻抗从150 Ω变到100 Ω，之后再变到50 Ω；Peak1由开路变到200 Ω后再变到50 Ω，Peak2则由开路变到50 Ω。因此，此结构不会出现传统三路中主功放阻抗调制中断的情形，即主功放不会提早进入功率饱和状态，所以具有较好的线性。

1．2 效率
    本文的新型三路Doherty理论效率可用式(2)计算：
   
    式中：η为漏极效率；Vom为图3中R点电压；VDD1，VDD2和VDD3分别为主功放、峰值功放1和2的漏极直流电压；α1和α2分别为第二输出功率回退点(第一效率峰值点)和第一输出功率回退点(第二效率峰值点)。对于本文，功率比为1：1：1的三路Doherty，α1=1／3，α2=1／2。图5显示了不同功率比的新型三路Doherty的理想效率曲线。

2 电路设计及仿真结果
    为了验证新型三路Doherty的性能，本文利用ADS软件进行了仿真设计。为了获得高功率，本文选择Freeseale推出的大功率器件MRF6VP 3450。它基于VHV6的50VLDMOS技术，工作于UHF波段，在DVB-T OFDM信号下平均输出功率可达90 W。由于MRF3450为对管结构，设计时，利用3个MRF6VP3450制作了一个新型的双三路Doherty电路，如图6所示。首先，在输入端，利用威尔金森功分器将信号分成两路，分别送往上下两个三路Doherty的输入端；接着每个分路用三个90°的电桥完成四分路设计，将其中相移0°的分路接峰值功放1，相移90°的分路分别接主功放和峰值功放2，相移180°的分路接50 Ω的负载；输出端则采用新型的三路Doherty阻抗网络，最后再将两路信号用二合路器合成。
    设计时，首先将主功放偏置于AB类，利用ADS的源牵引和负载牵引模板，找到最佳的源阻抗和负载阻抗，然后利用电容和分布传输线进行输入和输出电路的匹配。将峰值功放1和2偏置于C类状态，而匹配电路与主功放相同，优化时再进行微调，这样就完成了主峰值功放的设计。由于低功率时，主功放的等效负载阻抗为150 Ω，而匹配则是在50 Ω的情况下进行，从而造成低功率时，主功放不匹配现象；同时，当辅助功放1和2截止时，其输出端应为开路，但实际情况则是其看进去的阻抗处于低阻状态，从而造成主功放的输出功率泄露到峰值功放支路上，这严重影响了Doherty功放的性能。因此，在各功放的输出端，要加入相应的补偿线。其中，主功放后的补偿线用于改善低功率时的匹配状况，而峰值功放后的补偿线用于将峰值功放未开启时的小阻抗变为大阻抗，从而实现开路状态。由于各功放的补偿线不一致，并且各路放大器工作状态不同，因此在各路放大器的输入端也要加入相应的补偿线，以使得相位保持一致。

    经过对输入、输出补偿线的优化，以及各功放栅压的优化，其中主功放栅压取2．8 V，Peak1的栅压取0．8 V，Peak2栅压取-2．0 V，漏极电压均取48 V。最后得到的仿真结果如图7所示。由图可以看出，在功率回退9．1 dB(输出功率为53．96 dBm)处，出现第一个效率峰值点，漏极效率达到60．17％；在功率回退5．6 dB(输出功率为57．50 dBm)处，出现第二效率峰值点，效率达到61．71％；在峰值功率63．13 dBm处，出现第三个效率峰值点，效率达到72．2％。仿真得到的结果与理论分析结果较吻合，验证了新型三路Doherty的高效性。

3 实验结果
    图8为实际制作的双三路Doherty实物图，其中介质板材选用Rogers 4003，介电常数为3．5，板材厚度为31 mil。经测试，该放大器的饱和功率可达61．7 dBm。图9为中心频率为610 MHz，8 MHz带宽的DTMB-64QAM信号的测试结果。从测试结果可以看出，在饱和功率回退9．7 dB(输出功率为52 dBm)时，该放大器的漏极效率为38％，ACPR为-32．3 dBc，回退7．7 dB(输出功率为54 dBm)时，效率可达41．2％。实际测试结果与仿真结果有一定的差距，但基本上还是吻合的，证明了该种结构的可行性。

4 结论
    本文设计并制作了一个用于数字电视广播发射机的250 W的Doherty功率放大器。为了进一步提高Doherty功放的效率，采用了新型的三路Doherty结构，理论分析及仿真实验表明，它具有动态的阻抗调制性能，不仅能够拓展高效率的动态范围，而且在回退范围内具有3个效率峰值点，大大提高了系统效率。实测结果表明，它适合于具有高峰均比信号的数字电视系统，具有广泛的应用前景。