高效率Doherty功放

上海潤欣科技股份有限公司創(chuàng)研社

導語：射頻功率放大器被廣泛應用于各種無線通信設備中。在通訊基站中，線性功放占其成本比例約占1/3。高效率，低成本的解決功放的線性化問題顯得非常重要。因此高效率高線性的功放一直是功放研究的熱門課題。

Doherty功率放大器應用背景

伴隨著現(xiàn)代無線通信技術的高速發(fā)展，通信產品已經廣泛的融入了人們的生活中，對人們的影響越來越大。射頻功率放大器作為無線通信系統(tǒng)中主要器件之一，其性能對系統(tǒng)終端的影響重大。無線通信系統(tǒng)的標準由傳統(tǒng)的GSM標準到第三代通信標準WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000，以及今天的第四代通信標準LTE(Long Term Evaluation)。信號的調制方式也隨之發(fā)生改變，由恒包絡調制向包絡變換調制方式轉變。例如，在WCDMA中采用的OFDM包絡變換調制方式，其傳輸功率有著較高的均峰比，來滿足最大限度的增加系統(tǒng)的容量。因此需要功率放大器能夠在一定的功率回退中保證PA的線性度。但是傳統(tǒng)的功率放大器在功率回退范圍內的效率很低，因此，提高基站中功率放大器在功率回退中的效率變得尤為重要。提高效率的方法有很多， Doherty功率放大器技術結構簡單，性價比高等優(yōu)勢，早已成為基站功率放大器研究的熱點。當前射頻功率放大器的設計正圍繞著“高效率”、“多波段”、“高線性化”的方向發(fā)展。

Doherty功率放大器架構

圖1

Doherty功率放大器工作原理概述

Doherty結構由2個功放組成： 一個Main Amplifier(主功放)，一個Peak Amplifier(輔助功放)，主功放工作在AB類，輔助功放工作在B類或C類。兩個功放不是輪流工作，而是主功放一直工作，輔助功放到設定的峰值才工作。主功放后面的四分之一波長線是阻抗變換，目的是在輔助功放工作時，起到將主功放的視在阻抗減小的作用，保證輔助功放工作的時候和后面的電路組成的有源負載阻抗變低，這樣主功放輸出電流就變大。由于主功放后面有了四分之一波長線，為了使兩個功放輸出同相，在輔助功放前面也需要四分之一波長線，用以平衡二路的相位。如圖1所示。

Doherty功放工作的三個階段

Doherty技術是有源負載調制技術，主功放的負載隨著信號強度的變化而變化。從輸入信號強度劃分，Doherty功放的工作區(qū)域可以大致分為三個階段：小信號階段、中等信號階段和大信號階段。如圖2所示。

圖二

1.小信號階段

在小信號階段，由于峰值功放工作在B類或C類，信號強度不足以使其工作，因此其截止，呈現(xiàn)開路狀態(tài)。主功放由于四分之一波長變換線將等效負載變?yōu)?00Ω，負載電壓升高，使主功放提前進入預飽和狀態(tài)，效率提高。

2.中等信號階段

當信號逐漸增強時，輔助功放開啟，有源調制效應出現(xiàn)，主功放的等效負載由100Ω向50Ω的方向減?。ú]有達到50Ω），而主功放的電壓受到輔助功放牽制保持預飽和狀態(tài)，輔助功放的負載由開路狀態(tài)向50Ω轉變。

此時功放由最大效率狀態(tài)向最大輸出狀態(tài)轉變，效率維持不變（理想情況），線性有所提高。

3.大信號階段

隨著輸入信號的逐漸增強，輔助功放和主功放的電流增大，主功放的輸出電壓不變（理想情況），保持高效率。而主功放的負載繼續(xù)減小，輸出功率增加，當輔助功放達到飽和時，主功放和輔助功放的電流都達到了最大值。主功放，輔助功放負載均為50Ω，輸出功率達到最大。

Doherty功放的設計

1.Doherty功放的缺點和注意點

前面提到了Doherty結構簡單和效率高的特點，但它也有不可克服的缺點，增益降低，帶寬減小，敏感度高。

- 增益降低

Doherty功放和AB類功放相比，其增益降低了2-3dB，原因是輔助功放處于C類，而末級功放的增益降低會影響到Doherty功放設計，因此在設計選擇推動級時，要考慮到增益降低帶來的影響，多留出設計余量。

- 帶寬減小

通過調試或者仿真可以看出，Doherty是個窄帶系統(tǒng)，帶寬小，尤其是線性。調試時經常發(fā)現(xiàn)調好高端后，發(fā)現(xiàn)低端又不能滿足指標要求。原因是阻抗變換和1/4波長變換線的窄帶特性導致的。

- 敏感度高

前面提到Doherty的實質就是有源負載調制，兩路功放相互影響程度較大，敏感度較高。由于這種敏感度存在，所以研發(fā)階段應該在比較敏感的地方預留一些可調試的部分（焊盤），便于生產中校正其離散性。

2.Doherty功放設計要點

功放主要是由功放管，偏置電路，匹配電路三部分組成，關注的要點是效率，線性，穩(wěn)定性。

- 穩(wěn)定性

不穩(wěn)定是功放設計中比較忌諱的事情。輕則雜散大，重則無法正常工作。比如自激，燒LDMOS管等。其實不穩(wěn)定就是放大器變成了振蕩器。

設計時可以通過如下措施進行避免。

- 偏置電路反饋及處理辦法

采用1/4波長微帶線和去耦電容的方法阻止反饋回路的形成。

PCB板和地平面的要有足夠多的螺釘固定，并且在功放管附近保證良好接地。

- 結構分腔設計

單個腔體中增益過高容易引起空間的耦合，加蓋板影響較大。單個腔體內的增益最好小于30dB，過高的增益需要分腔設計，兩路之間要用金屬隔擋，盡量長，蓋板上增加屏蔽條，有效隔斷減小相互影響。

- 兩級級間的考慮

在直接級聯(lián)時，放大器間的影響是不可消除的。即使單級放大器是穩(wěn)定和指標良好的，但級聯(lián)效果不一定就好，這時就需要增加隔離器或者電阻衰減網絡。

3.Doherty功放的設計思路

- 按照AB類功放的方法設計輸入輸出匹配。

-按照Doherty的架構組合兩路功放，并加上offset線。

-在整體架構上調整各offset線的長度以實現(xiàn)高效率和高線性。