一种新型Doherty功率放大器的设计

功率放大器作为无线通讯系统中最大的耗能元件，其效率是一项重要设计指标。高的效率可以延长无线通讯系统中电池供电时间，节约能源，降低功放散热系统的设计复杂度，提高功放的稳定性，从而达到降低建设和运行成本的目的。Doherty功率放大器（DPA）作为一种高效率放大器^{[1] [2]}，有着实现方式简单、成本低廉和对系统线性度的影响较小的优点。因而，在现代无线通信技术中得到了广泛的研究和应用。

W-CDMA作为第三代无线通信主流标准之一，其信号的峰均比可达9dB。为保证其系统中功率放大器有较好的线性度，通常要求工作点要从输出饱和功率点回退9dB^[3]。由于传统二阶Doherty功率放大器的第一个峰值效率是在满输出功率回退6dB时得到，其变化范围小于9dB，因而直接用于W-CDMA无线通信系统时，DPA的效率并未达到最优。针对这种情况，本文仿真设计了一种新型DPA。ADS中的仿真结果表明，新型DPA相比于传统DPA，在更大输出功率回退情况下附加效率可以提升10%左右。

一、新型Doherty放大器设计

1、Doherty功率放大器工作原理

经典二阶Doherty功率放大器电路原理框图如图1所示。电路中有两个放大器，一般称之为主（载波）放大器和辅助（峰）放大器，它们由λ/4传输线隔开。主功放一般偏置在B类或AB类，辅助功放偏置在C类。主放大器上的λ/4传输线起阻抗变换作用，辅助放大器前的λ/4传输线起相位平衡作用。工作时，主从放大器的工作电压和工作电流如图2所示^{[4] [5]}

图1 Doherty放大器原理图

图2 主从放大器工作电压/电流曲线

假设主放大器工作在理想B类，其工作原理可以分成三个状态来描述^[6]：低功率输出状态，中等功率输出状态和满功率输出状态。

1)、低功率输出状态下，从放大器关闭，只有主放大器工作。因此，DPA系统效率在主放大器满输出功率时达到最大值（78.5%），即达到第一个峰值效率，此时的输入电压称为转折电压。由于四分之一传输线的作用，从主放大器输出端向λ/4传输线方向看成的输出阻抗RIN变为2Ropt，提高后到输出阻抗使得输出电压达到峰值电压时，输出电流却只有峰值电流的一半。因此，DPA达到第一个峰值效率时的输出功率相对于满功率输出功率而言，回退了6dB。

2)、中等功率输出状态下，主放大器输出电压达到饱和，适当的偏置使得从放大器开始工作。随着输入功率的增加，从放大器输出电流增加。由有源负载牵引技术可知，Rout增加，RIN减小。这使得主放大器输出电压基本保持不变，不会产生过饱和，同时主放大器输出电流继续增加，主放大器效率保持最大值。由于从放大器工作电流未达到最大，故DPA系统效率有所下降，但是依然维持在较高水平。

3)、满功率输出状态下，主从放大器都以最佳匹配阻抗形式达到饱和输出， DPA系统达到最大功率输出，系统效率也达到单个理想B类放大器的最大效率值（78.5%），即第二个峰值效率。

2、器件选择要求

传统Doherty功率放大器工作时，主放大器的输出电压可用式（1）表示：
                           （1）

图中V_T为转折点输入电压， V_in-max为最大输入电压，二者关系为V_T=αV_in-max，V_m为信号输入电压，I_m为主放大器工作电流， I_p为从放大器工作电流， I_{max_m}为主放大器最大输出电流， I_{max_p}为从放大器最大输出电流。那么根据图2，得到主放大器三种工作状态下的输出电压V_m表达式如下：

1）V_inT时：
                                     （2）
                   （3）
2）V_T< V_inmax_m时：
                                 （4）
3）V_in=V_in-max时：
                         （5）
故有
                  （6）
化简得    
                               （7）