數(shù)字電視前端發(fā)射機(jī)中Doherty功放的設(shè)計

陳 俊, 蘇凱雄

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院, 福建 福州 350002)

0 前 言

圖1 Doherty功率放大器原理框圖

在向4G發(fā)展的過程中，面臨的最大挑戰(zhàn)是如何支持現(xiàn)有的多種移動通信標(biāo)準(zhǔn)，包括GSM、GPRS、WCDMA和HSDPA，與此同時，還要支持100 Mb/s～1 Gb/s的數(shù)據(jù)率以及支持OFDMA調(diào)制、支持MIMO天線技術(shù)，乃至支持VoWLAN的組網(wǎng).因此，在射頻信號鏈設(shè)計的過程中，如何降低射頻功率放大器的功耗及提升效率成為了微波功率放大器設(shè)計需要解決的關(guān)鍵技術(shù).目前在放大器器件選用上3條技術(shù)路線可提高放大器效率：利用超CMOS工藝放大器，從提高集成度來間接提升PA效率；利用InGaP工藝放大器實現(xiàn)功率放大器的低功耗和高效率；利用SiGe BiCMOS 工藝技術(shù)提高放大器的效率[1，2].從上面3種技術(shù)來看，都是從微觀的角度來實現(xiàn)功放效率的提升，在實際應(yīng)用中，除了考慮從放大器內(nèi)核工藝角度之外，還可以從放大器設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)方面來考慮提高放大器的效率，最經(jīng)典的就是Doherty功放，它比普通功放的效率提高了15%～20%，因此，Doherty功放的使用范圍越來越廣，本次設(shè)計就是將Doherty功放引入數(shù)字電視前端發(fā)射系統(tǒng)，從而提高前端發(fā)射系統(tǒng)的效率[3，4].

1 Doherty功率放大器原理概述

Doherty結(jié)構(gòu)由2個功放組成：一個主功放，一個輔助功放，主功放工作在B類或者AB類，輔助功放工作在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(shè)定的峰值才工作(這個功放也叫作peak ampli-fier).主功放后面的90°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，保證輔助功放工作時和后面的電路組成的有源負(fù)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90°相移.如圖1所示[5，6].

圖2 ADS軟件仿真的電路原理圖

主功放工作在B類，當(dāng)輸入信號比較小的時候，只有主功放處于工作狀態(tài)；當(dāng)管子的輸出電壓達(dá)到峰值飽和點時，理論上的效率能達(dá)到78.5%,如果這時候?qū)⒓罴哟笠槐?，那么管子在達(dá)到峰值的一半時就出現(xiàn)飽和了，效率也達(dá)到最大值78.5%，此時輔助功放也開始與主放大器一起工作(C類，門限設(shè)置為激勵信號電壓的一半).輔助功放的引入使得從主功放的角度看負(fù)載減小了，因為輔助功放對負(fù)載的作用相當(dāng)于串連了一個負(fù)阻抗，所以即使主功放的輸出電壓飽和恒定，但輸出功率因為負(fù)載的減小卻持續(xù)增大(流過負(fù)載的電流變大了).當(dāng)達(dá)到激勵的峰值時，輔助功放也達(dá)到了自己效率的最大點，這樣兩個功放合在一起的效率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單個B類功放的效率.單個B類功放的最大效率78.5%出現(xiàn)在峰值處，現(xiàn)在78.5%的效率在峰值的一半就出現(xiàn)了，所以這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能達(dá)到很高的效率(每個放大器均達(dá)到最大的輸出效率)[7].

2 利用計算機(jī)軟件仿真Doherty功率放大器

在微波電路仿真中，ADS軟件相對比較成熟，使用的人也比較多，為此采用ADS仿真軟件來實現(xiàn)全匹配的Doherty功率放大器仿真.圖2是ADS軟件仿真的電路原理圖.

圖3是Doherty功率放大器傳輸功率增益和效率的仿真結(jié)果圖.

圖3 傳輸功率增益和效率的仿真結(jié)果圖

從傳輸效率增益可以看出該放大器功率在15 dB，其P 1dB 在49 dbm，3 dB壓縮點達(dá)到50 dbm，從效率圖可以明顯看出在功率回退6 dB的效率達(dá)到52%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的AB類放大器，充分體現(xiàn)了Doherty功率放大器的優(yōu)點.

3 Doherty功率放大器實際電路設(shè)計

根據(jù)理論分析，我們設(shè)計了Doherty功率放大器實際應(yīng)用電路，采用的是飛思卡爾公司的功率放大器芯片，具體設(shè)計電路如圖4所示.

圖4 Doherty功率放大器實際應(yīng)用電路 圖5 Doherty 功放的實測效率

4 實驗驗證和測試結(jié)果分析

對于一般的RF 板材，其介電常數(shù)會隨著放大器工作時發(fā)熱導(dǎo)致的溫度變化而變化, 從而導(dǎo)致整個電路損耗也不穩(wěn)定，影響電路性能[8,9]，因此采用RF35 型號板材作PCB 電路板,其介電常數(shù)在放大器工作時發(fā)熱導(dǎo)致的溫度變化中能比較穩(wěn)定.利用頻譜分析儀和頻率信號發(fā)生器對功率放大器進(jìn)行測試，得出的測試結(jié)果為Doherty 功率放大器在輸出功率36 dBm的情況下效率為28%，如圖5所示，實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的差距，但總體上結(jié)果還是較為吻合的.

5 結(jié)束語

將Doherty功率放大器引入數(shù)字電視前端發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，大大提高了前端發(fā)射系統(tǒng)的效率，通過結(jié)合相應(yīng)的線性化技術(shù)，比如前饋技術(shù)，就可以使得數(shù)字電視前端發(fā)射機(jī)的整機(jī)性能在效率和線性度上得到充分的保證.通過測試結(jié)果表明，Doherty 技術(shù)能夠較好的滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對功率放大器的要求，將有非常廣闊的應(yīng)用前景.

參考文獻(xiàn)

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