功率放大器作為無線通訊系統中最大的耗能元件，其效率是一項重要設計指標。高的效率可以延長無線通訊系統中電池供電時間，節約能源，降低功放散熱系統的設計復雜度，提高功放的穩定性，從而達到降低建設和運行成本的目的。Doherty功率放大器（DPA）作為一種高效率放大器^{[1] [2]}，有著實現方式簡單、成本低廉和對系統線性度的影響較小的優點。因而，在現代無線通信技術中得到了廣泛的研究和應用。

W-CDMA作為第三代無線通信主流標準之一，其信號的峰均比可達9dB。為保證其系統中功率放大器有較好的線性度，通常要求工作點要從輸出飽和功率點回退9dB^[3]。由于傳統二階Doherty功率放大器的第一個峰值效率是在滿輸出功率回退6dB時得到，其變化范圍小于9dB，因而直接用于W-CDMA無線通信系統時，DPA的效率并未達到最優。針對這種情況，本文仿真設計了一種新型DPA。ADS中的仿真結果表明，新型DPA相比于傳統DPA，在更大輸出功率回退情況下附加效率可以提升10%左右。

一、新型Doherty放大器設計

1、Doherty功率放大器工作原理

經典二階Doherty功率放大器電路原理框圖如圖1所示。電路中有兩個放大器，一般稱之為主（載波）放大器和輔助（峰）放大器，它們由λ/4傳輸線隔開。主功放一般偏置在B類或AB類，輔助功放偏置在C類。主放大器上的λ/4傳輸線起阻抗變換作用，輔助放大器前的λ/4傳輸線起相位平衡作用。工作時，主從放大器的工作電壓和工作電流如圖2所示^{[4] [5]}

圖1 Doherty放大器原理圖

圖2 主從放大器工作電壓/電流曲線

假設主放大器工作在理想B類，其工作原理可以分成三個狀態來描述^[6]：低功率輸出狀態，中等功率輸出狀態和滿功率輸出狀態。

1)、低功率輸出狀態下，從放大器關閉，只有主放大器工作。因此，DPA系統效率在主放大器滿輸出功率時達到最大值（78.5%），即達到第一個峰值效率，此時的輸入電壓稱為轉折電壓。由于四分之一傳輸線的作用，從主放大器輸出端向λ/4傳輸線方向看成的輸出阻抗RIN變為2Ropt，提高后到輸出阻抗使得輸出電壓達到峰值電壓時，輸出電流卻只有峰值電流的一半。因此，DPA達到第一個峰值效率時的輸出功率相對于滿功率輸出功率而言，回退了6dB。

2)、中等功率輸出狀態下，主放大器輸出電壓達到飽和，適當的偏置使得從放大器開始工作。隨著輸入功率的增加，從放大器輸出電流增加。由有源負載牽引技術可知，Rout增加，RIN減小。這使得主放大器輸出電壓基本保持不變，不會產生過飽和，同時主放大器輸出電流繼續增加，主放大器效率保持最大值。由于從放大器工作電流未達到最大，故DPA系統效率有所下降，但是依然維持在較高水平。

3)、滿功率輸出狀態下，主從放大器都以最佳匹配阻抗形式達到飽和輸出， DPA系統達到最大功率輸出，系統效率也達到單個理想B類放大器的最大效率值（78.5%），即第二個峰值效率。

2、器件選擇要求

傳統Doherty功率放大器工作時，主放大器的輸出電壓可用式（1）表示：
                           （1）

圖中V_T為轉折點輸入電壓， V_in-max為最大輸入電壓，二者關系為V_T=αV_in-max，V_m為信號輸入電壓，I_m為主放大器工作電流， I_p為從放大器工作電流， I_{max_m}為主放大器最大輸出電流， I_{max_p}為從放大器最大輸出電流。那么根據圖2，得到主放大器三種工作狀態下的輸出電壓V_m表達式如下：

1）V_inT時：
                                     （2）
                   （3）
2）V_T< V_inmax_m時：
                                 （4）
3）V_in=V_in-max時：
                         （5）
故有
                  （6）
化簡得    
                               （7）

上式表明，從放大器的功率容量需要是主放大器功率容量的（1/α-1）倍。例如，α=0.5（DPA功率回退6dB）時，從放大器功率容量和主放大器功率容量相等;α=0.35（DPA功率回退為9dB）時，則要求從放大器功率容量是主放大器功率容量的1.82倍。

3、新型Doherty電路設計

由上節的分析可知，更大的功率回退意味著主放大器將在更低的輸入功率下產生飽和，即α取值更小。因此，在使用單個Push-Pull類型或者兩個相同型號的Single-End類型放大管設計DPA時，只要主功放漏極電壓小于從功放漏極電壓，就可以使主放大器的輸出飽和功率效率從放大器輸出飽和功率，從而可以等效地視主從放大器有不同的功率容量，符合器件選擇要求。本文采用兩只Freescale功放管MRF6S21050L來實現新型DPA的設計。

為確保主放大器工作在AB類，從放大器工作在C類，需要選擇合適的靜態工作點。為此，對功放管MRF6S21050L進行靜態工作點掃描，結果如圖3所示。根據掃描結果，新型DPA的靜態工作點設置如下：主放大器柵極電壓取2.7V，漏極電壓取22V，漏極電流512mA，管子工作在AB類；從放大器柵極電壓取1.7V，漏極電壓取器件文檔推薦值28V，漏極電流近似為零，管子工作在C類。

圖3 MRF6S21050靜態工作點掃描結果

在確定主從放大器的靜態工作點后，就可利用ADS軟件提供的負載牽引（Load Pull）功能來確定放大器的最優輸入輸出阻抗。然后根據得到的最優阻抗值進行放大器的輸入輸出匹配電路設計。雖然主從放大器使用了相同的管子，但由于它們的漏極偏置電壓不同，因此主從放大器的匹配電路需要獨立進行設計。完成整個匹配電路之后，根據傳統DPA電路結構，就可以完成新型DPA電路的設計。

4、仿真結果

圖4是主放大器電路在柵極電壓保持2.7V，漏極電壓分別取28V和22V時的輸出功率仿真結果。可見，降低主放大器漏極偏置電壓后，主放大器的輸出飽和功率降低了2.6dB。如此一來，可以等效地視從放大器功率容量為主放大器功率容量的1.82倍，滿足DPA系統中α取值0.35（DPA功率回退為9dB）時對主從功放功率容量的要求。

圖4 主放大器不同漏極電壓下輸出功率仿真結果

圖5 新型DPA和傳統DPA附加效率仿真結果

圖5是新型DPA電路和傳統DPA電路的附加效率仿真結果。其中，傳統DPA電路的靜態工作點設置為：主從放大器的漏極偏置電壓都取28V，主放大器柵極電壓取2.7，從放大器柵極電壓取1.7V，且主從放大器的匹配電路相同。由圖可見，新型DPA電路相比于傳統DPA，可以在功率回退9dB處就達到第一個峰值效率，且在中等輸出功率時放大器附加效率也可以提升10%左右。

然而，在實際設計中還需要折中考慮，比如漏極電壓降低后會導致放大器增益下降，高功率輸出時的效率也有所下降。由于新型DPA中的主放大器提前進入飽和，所以相比于傳統DPA，新型DPA的最大輸出功率略為降低。

二、結論

如預期結果一樣，降低主放大器的漏極偏置電壓可以降低主放大器輸出飽和功率，因而可采用相同放大管來設計α值更小的DPA電路。由此方法設計出的新型DPA電路相比于傳統DPA，可以在更大輸出功率回退情況下出現第一個效率峰值，而且在中等輸出功率階段，附加效率也有10%左右的提升。

作者：鄧國康 秦開宇，電子科技大學

參考文獻

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[2] K.Horiguchi, S. Ishizaka, T. Okano, et al. Efficiency Enhancement of 250W Doherty Power Amplifiers Using Virtual Open Stub Techniques for UHF-band OFDM Applications. 2006 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig.: 1356-1359
[3] Kyoung-Joon Cho, Jong-Heon Kim, Shawn P.Stapleton. A Highly Efficient Doherty Feedforward Linear Power Amplifier for W-CDMA Base-Station Applications. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, 2005, VOL. 53 , NO. 1: 292-300
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[5] Jangheon Kim, Jeonghyeon Cha, Ildu Kim, et.al. Optimum operation of asymmetrical-cells-based linear Doherty power Amplifiers-uneven power drive and power matching. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, NO. 5, 2005: 1802-1809
[6] Peter B. Kenington.High-Linearity RF Amplifier Design. London: Artech House, 2000: 493-506

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