Doherty功率放大器设计与仿真分析

射频功率放大器被广泛应用于各种无线通信发射设备中。线性功放在基站中的成本比例约占1／3，如何有效、低成本地解决功放的线性化问题显得非常重要。高效率高线性度的功放研究是一个热门课题，特别是近几年针对WCDMA功率放大器。目前国内能生产10 W以上的WCDMA功率放大器厂家只有少数几家公司，因为WCD-MA功率放大器对线性度的要求更高。而用普通的回退法生产的WCDMA功率放大器符合指标的只能做到几瓦，这个功率用在基站上是远远不够的，只能用在一般的小型直放站上。

功率放大器的线性度和效率是设计功率放大器的重点。在线性度方面，前馈结构是目前比较成熟的结构，广泛运用于现代通信系统中，数字预失真在业界则被认为是功率放大器线性化的方向。而随着现代通信的发展，效率也开始越来越被关注。Doherty方法被认为是提高效率最有前景的一种结构。前馈与 Doherty结构相结合的结构或者数字预失真与Doherty结合的结构具有很大的价值。

1 Doherty功率放大器设计

1.1 Doherty功率放大器原理概述

Doherty结构由2个功放组成：一个主功放，一个辅助功放，主功放工作在B类或者AB类，辅助功放工作在C类。两个功放不是轮流工作，而是主功放一直工作，辅助功放到设定的峰值才工作（这个功放也叫作peak ampli-fier）。主功放后面的90°四分之一波长线是阻抗变换，目的是在辅助功放工作时，起到将主功放的视在阻抗减小的作用，保证辅助功放工作的时候和后面的电路组成的有源负载阻抗变低，这样主功放输出电流就变大。由于主功放后面有了四分之一波长线，为了使两个功放输出同相，在辅助功放前面也需要 90°相移。如图1所示。

主功放工作在B类，当输入信号比较小的时候，只有主功放处于工作状态；当管子的输出电压达到峰值饱和点时，理论上的效率能达到78.5％。如果这时候将激励加大一倍，那么，管子在达到峰值的一半时就出现饱和了，效率也达到最大的78.5％，此时辅助功放也开始与主放大器一起工作（C类，门限设置为激励信号电压的一半）。辅助功放的引入，使得从主功放的角度看，负载减小了，因为辅助功放对负载的作用相当于串连了一个负阻抗，所以，即使主功放的输出电压饱和恒定，但输出功率因为负载的减小却持续增大（流过负载的电流变大了）。当达到激励的峰值时，辅助功放也达到了自己效率的最大点，这样两个功放合在一起的效率就远远高于单个B类功放的效率。单个B类功放的最大效率78.5％出现在峰值处，现在78.5％的效率在峰值的一半就出现了。所以这种系统结构能达到很高的效率（每个放大器均达到最大的输出效率）。

1.2 Doherty功率放大器设计

根据额定功率30 W，输出增益50 dB，工作频率2 110～2 170 MHz等作为设计指标要求：

要设计Doherty功率放大器，首先应该选择元器件，然后选择合适的静态工作点，设置偏置电路。再进行阻抗匹配，最后再设计90°的合路器把主辅功率放大电路合成。

1.2.1 功率放大器选择以及放大器偏置设计 根据指标要求，首先选定功率放大器。射频功率放大器主要选用摩托罗拉公司的LDMOS管，其市场占有率达到70％以上，而LDMOS器件也特别适用于 CDMA，W-CDMA，TETRA、数字地面电视等需要宽频率范围、高线性度和使用寿命要求高的应用。另外由于总的放大器的输出增益要达到50 dB，所以应该选用多级功率放大器。

因为Doherty功率放大器的最高效率是在大约回退6 dB的时候达到，所以选择功率放大器为两个摩托罗拉的管子MRF21060，他们在最大功率工作时总的功率为120 W，回退1／4（6 dB）即得到30 W。

要设计Doherty功率放大器，就需要使其中一个管子工作在AB类或则B类工作状态下，而另一个管子的静态工作点选择在C类工作状态下。

对LDMOS管子的MRF21060进行静态工作点扫描，选定合适的静态工作点，如图2所示。

根据Doherty技术要求，功率放大器偏置的选择，应该使主放大器达到饱和的时候，这时辅助放大器才开始工作，这样才能达到相当高的效率。

在此选择MRF21060在AB类工作状态时，静态工作点约在3.7 V处。选择C类工作状态时，选择工作在2.1 V。两种偏置状态的静态工作电流和电压如图3所示。

1.2.2 电路匹配设计