非对称功率输入Doherty功率放大器研究与设计

摘要：为在高线性的前提下提高LTE基站系统中的功率放大器效率，基于ADS软件设计了一款工作频段2.5～2.7GHz不对称功率输入的Doherty功率放大器。采用飞思卡尔公司的MRF6S27015N LDMOS工艺晶体管，设计了一种采用offset line可变功率输入的非对称Doherty功率放大器。只需通过调整offset line就可调整输入功率比，便于使系统调整到最合适的输入功率比值。

关键词：Doherty;非对称Doherty;Doherty原理;功率放大器

为了提高通讯系统的频谱利用率，为用户提供快速的数据传输和多媒体数据业务，现在的通讯系统采用宽带的数字调制技术如BPSK、QPSK、QAM等，其峰均比都比较高，这就需要发射机通道要使用高线性放大器，通常为满足线性指标使用AB类功放，但其效率极低不满足节能要求。随着线性化技术的发展：前馈技术、模拟预失真和数字预失真，随着技术的发展和精力的投入数字预失真技术也逐渐成熟并广泛应用，这样就有待于高效率功放的出现。提高效率的方法有小回退 AB类功放、Doherty技术、Cheric技术、EER技术等其中Doherty实现最为简单，便于生产。

但随着通信技术的发展，功率回退值越来越来，传统的Doherty功率放大器已逐渐无法满足未来更高速无线通信系统高峰均比的要求。为了改进 Doherty结构满足现今需求，本文中就设计了一种能够自适应调节输入功率分配的Doherty结构，并对非对称输出对Doherty的影响做了详细分析。

1 非对称Doherty结构

1.1 非对称Doherty的分类

相对于经典Doherty电路的对称功放管的结构非对称Doherty的意义包括：非对称功率输入，非对称晶体管，非对称漏极供电等。非对称饱和点，又称非对称功率输出，即主功放和辅助功放饱和输出功率不等。由于经典Doherty功率放大器主功放达到功率饱和时，辅助功放仍未能达到功率饱和，即辅助功放输出功率相对主功放输出功率低，所以通常采用辅助功放饱和输出功率大于主功放饱和输出功率的方法。非对称饱和点一般与非对称功率输入同时使用，保证电路得到较高的效率。另外，非对称饱和点Doherty功率放大器还能够适应于不同峰均功率比的信号。根据信号峰均功率比的大小，通过选择合适的输入功率和饱和功率比值α，可以使得功率放大器在回退信号峰均功率比值时正好达到主功放电压饱和点，即第一次效率最高点，从而获得较高的效率主功放达到功率饱和时，辅助功放漏极电流小于主功放的漏极电流，导致辅助功放最终输出功率偏小。所以在实际实现非对称Doherty功放时，功率比值的取值比理论计算值偏小。

1.2 非对称功率输入对Doherty的影响

本节采用飞思卡尔公司的LDMOS晶体管MRF6S27015N进行仿真并对不同功率分配比PAE，IMD3的影响来进行仿真研究，设计过程简要介绍如下：1)根据芯片Datasheet和对于芯片模型仿真结果的综合分析得到该功放管工作在AB类时，栅极电压(VGS)2.63 V，静态电流311 mA;2)工作在C类时，栅极电压为1.55V，无静态电流。同时漏极电压都为28V;3)Loadpull和Sourcepull测出功放管的输出和输入阻抗;4)使用simth原图进行输入输出网络匹配，匹配完成后用实际微带线替换并进行多次仿真确定微带的实际的具体长宽;5)加入直流偏置电路后单管仿真;6)调试两路Doherty电路并改变输入功率分配比得到如下结果：

1)低功率状态：

当输入低功率时，峰值功率放大器(辅助功放)截止只有载波功率放大器工作，此时设置载波功率放大器和峰值功率放大器的输入功率分配比例为 1：1，2：1，3：1，4：1和5：1，对其进行效率和三阶交调分别仿真，得到功率附加效率(PAE)和三阶交调(IMD3)特性随输出功率和功率分配比的变化曲线。从图一可以看出当功率分配比为1：1时功率分配对Doherty结构整体的PAE影响很小，且普遍大于功率分配比是1：1时。功率附加效率随着输出功率增大而增大，当达到峰值后，功率分配效率不再增加而甚至呈下降趋势。这是由于载波放大器工作在AB类，其理论最大效率为78.5%，但实际中不可能达到。所以在本例中，载波放大器达到峰值附加效率52.5%(功率分配比5：1)后就不在增加。此外从曲线中还可以看出功率分配比大于1：1是放大器达到最大PAE是的输出功率基本相同。在PAE曲线末端，不同的功率分配比在具有相同的功率输出时对应的功率附加效率不同，比例越大从峰值点出曲线下降的就越快，而在1：1时PAE曲线一直保持上升的态势，一直到最大输出。功率分配比为2：1时，在达到相同较大输出的时候放大器仍然保持了较高的功率附加效率。

输入分配比不仅会影响放大器的功率附加效率，还会对交调特性产生影响。在不同功率分配