250 W三路高功率Doherty放大器的设计

1．2 效率
本文的新型三路Doherty理论效率可用式(2)计算：

式中：η为漏极效率；Vom为图3中R点电压；VDD1，VDD2和VDD3分别为主功放、峰值功放1和2的漏极直流电压；α1和α2分别为第二输出功率回退点(第一效率峰值点)和第一输出功率回退点(第二效率峰值点)。对于本文，功率比为1：1：1的三路Doherty，α1=1／3，α2=1／2。图5显示了不同功率比的新型三路Doherty的理想效率曲线。

2 电路设计及仿真结果
为了验证新型三路Doherty的性能，本文利用ADS软件进行了仿真设计。为了获得高功率，本文选择Freeseale推出的大功率器件MRF6VP 3450。它基于VHV6的50VLDMOS技术，工作于UHF波段，在DVB-T OFDM信号下平均输出功率可达90 W。由于MRF3450为对管结构，设计时，利用3个MRF6VP3450制作了一个新型的双三路Doherty电路，如图6所示。首先，在输入端，利用威尔金森功分器将信号分成两路，分别送往上下两个三路Doherty的输入端；接着每个分路用三个90°的电桥完成四分路设计，将其中相移0°的分路接峰值功放1，相移90°的分路分别接主功放和峰值功放2，相移180°的分路接50 Ω的负载；输出端则采用新型的三路Doherty阻抗网络，最后再将两路信号用二合路器合成。
设计时，首先将主功放偏置于AB类，利用ADS的源牵引和负载牵引模板，找到最佳的源阻抗和负载阻抗，然后利用电容和分布传输线进行输入和输出电路的匹配。将峰值功放1和2偏置于C类状态，而匹配电路与主功放相同，优化时再进行微调，这样就完成了主峰值功放的设计。由于低功率时，主功放的等效负载阻抗为150 Ω，而匹配则是在50 Ω的情况下进行，从而造成低功率时，主功放不匹配现象；同时，当辅助功放1和2截止时，其输出端应为开路，但实际情况则是其看进去的阻抗处于低阻状态，从而造成主功放的输出功率泄露到峰值功放支路上，这严重影响了Doherty功放的性能。因此，在各功放的输出端，要加入相应的补偿线。其中，主功放后的补偿线用于改善低功率时的匹配状况，而峰值功放后的补偿线用于将峰值功放未开启时的小阻抗变为大阻抗，从而实现开路状态。由于各功放的补偿线不一致，并且各路放大器工作状态不同，因此在各路放大器的输入端也要加入相应的补偿线，以使得相位保持一致。

经过对输入、输出补偿线的优化，以及各功放栅压的优化，其中主功放栅压取2．8 V，Peak1的栅压取0．8 V，Peak2栅压取-2．0 V，漏极电压均取48 V。最后得到的仿真结果如图7所示。由图可以看出，在功率回退9．1 dB(输出功率为53．96 dBm)处，出现第一个效率峰值点，漏极效率达到60．17％；在功率回退5．6 dB(输出功率为57．50 dBm)处，出现第二效率峰值点，效率达到61．71％；在峰值功率63．13 dBm处，出现第三个效率峰值点，效率达到72．2％。仿真得到的结果与理论分析结果较吻合，验证了新型三路Doherty的高效性。