微波EDA网,见证研发工程师的成长!
首页 > 硬件设计 > 模拟电路设计 > Doherty功率放大器研究与设计

Doherty功率放大器研究与设计

时间:06-23 来源:低压电器 点击:

  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

  LOAD PULL(负载牵引技术)测量方法能使设计者确定负载阻抗ZL.RF功率放大器在大信号工作时,晶体管的最佳负载阻抗会随着输入信号功率的增加而跟着改变,因此,必须在史密斯圆图上,针对不同的输入功率单位,每给定一个输入功率值就给绘出不同负载阻抗时的等输出功率曲线(power contours),帮助找出最大输出功率时的负载阻抗,这种方法称为LOAD PULL。

LOAD PUL

Copyright © 2017-2020 微波EDA网 版权所有

网站地图

Top