機載實況攝錄傳輸系統(tǒng)中Doherty功率放大器的設計＊

喬文長 許 偉

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

隨著功率放大器技術的產生和發(fā)展，這使得在“高速移動”和“非視距”條件下，實現(xiàn)高質量的實時的無線圖像、聲音和數(shù)據(jù)傳輸成為可能[1]。機載實況傳輸系統(tǒng)的功率放大系統(tǒng)采用了先進的Doherty結構技術，能夠確保高速移動、抗衰落及多徑干擾下的穩(wěn)定傳輸（移動速度可達150km／h），提供廣播級DVD質量的高清晰圖像，強大的非視距傳輸能力，具有覆蓋范圍廣、靈敏度高、數(shù)據(jù)量大、有效率高等優(yōu)點，為現(xiàn)場指揮、野外作戰(zhàn)等特殊條件下，應急通信所需要的遠距離、高質量、高速率的實時圖像、音頻及數(shù)據(jù)傳輸提供理想的解決方案。

2 在機載實況傳輸系統(tǒng)中功率放大器的設計需求

在機載實況攝錄傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射機將來自攝像機的視頻和音頻信號通過A／D轉換器變成數(shù)字信號，經過編碼后復接成一個合路數(shù)據(jù)，傳輸?shù)紺OFDM調制單元。COFDM調制單元將接收的信號進積聯(lián)合編碼，然后進行編碼映射，映射后得星座圖進行OFDM（正交多載波）調制。調制后的兩路正交信號，用低相噪本振進行正交調制[2]。得到的基帶調制信號需要經過功率放大器放大，才能夠經過天線發(fā)射出去（如圖1所示）。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)原理圖

根據(jù)直升機機載數(shù)字無線圖像實時傳輸系統(tǒng)要求，在直升機飛行一定高度下，船舶和飛機距離不小50km時快速建立起飛機到實驗船穩(wěn)定的實時高質量視頻、音頻傳輸，可以根據(jù)用戶的要求建立直升機和船舶之間GPS信息的傳輸[3]。所以功率放大器的指示為：輸出功率不10W；帶寬為100MHz；帶內起伏為0.1。功率放大器設計采用Doherty結構，該結構具有效率高，頻響好，雜散少等特點。

3 Doherty功率放大器原理概述

Doherty結構由兩個功放組成：一個主功放，一個輔助功放，主功放工作在B類或者AB類，輔助功放工作在C類。兩個功放不是輪流工作，而是主功放一直工作，輔助功放到設定的峰值才工作，這個功放也叫作peak amplifier[4]。主功放后面的90°四分之一波長線是阻抗變換，目的是在輔助功放工作時，起到將主功放的視在阻抗減小的作用，保證輔助功放工作的時候和后面的電路組成的有源負載阻抗變低，這樣主功放輸出電流就變大[5]。由于主功放后面有了四分之一波長線，為了使兩個功放輸出同相，在輔助功放前面也需要90°相移。如圖2所示。

圖2 Doherty功率放大器框圖

主功放工作在B類，當輸入信號比較小的時候，只有主功放處于工作狀態(tài)；當管子的輸出電壓達到峰值飽和點時，理論上的效率能達到78.5%[6]。如果這時候將激勵加大一倍，那么，管子在達到峰值的一半時就出現(xiàn)飽和了，效率也達到最大的78.5%，此時輔助功放也開始與主放大器一起工作此時C類，門限設置為激勵信號電壓的一半。輔助功放的引入，使得從主功放的角度看，負載減小了，因為輔助功放對負載的作用相當于串連了一個負阻抗。所以，即使主功放的輸出電壓飽和恒定，但輸出功率因為負載的減小卻持續(xù)增大，那是因為流過負載的電流變大的緣故。當達到激勵的峰值時，輔助功放也達到了自己效率的最大點，這樣兩個功放合在一起的效率就遠遠高于單個B類功放的效率[7]。單個B類功放的最大效率78.5%出現(xiàn)在峰值處，現(xiàn)在78.5%的效率在峰值的一半就出現(xiàn)了。因此每個放大器均達到最大的輸出效率，所以這種系統(tǒng)結構能達到很高的效率。

4 Doherty功率放大器設計

根據(jù)直升機機載數(shù)字無線圖像實時傳輸系統(tǒng)要求，以額定功率30W，輸出增益50dB，工作頻率2110～2170 MHz等為例作為設計指標要求。要設計Doherty功率放大器，首先應該選擇元器件，然后選擇合適的靜態(tài)工作點，設置偏置電路。再進行阻抗匹配，最后再設計90°的合路器把主輔功率放大電路合成。

4.1 功率放大器選擇以及放大器偏置設計

根據(jù)指標要求，首先選定功率放大器。射頻功率放大器主要選用摩托羅拉公司的LDMOS管，其市場占有率達到70%以上，而LDMOS器件也特別適用于CDMA，WCDMA，TETRA、數(shù)字地面電視等需要寬頻率范圍、高線性度和使用壽命要求高的應用。另外由于總的放大器的輸出增益要達到50dB，所以應該選用多級功率放大器。

因為Doherty功率放大器的最高效率是在大約回退6 dB的時候達到[8]，所以選擇功率放大器為兩個摩托羅拉的管子MRF21060，他們在最大功率工作時總的功率為120 W，回退1／4（6dB）即得到30W。要設計Doherty功率放大器，就需要使其中一個管子工作在AB類或則B類工作狀態(tài)下，而另一個管子的靜態(tài)工作點選擇在C類工作狀態(tài)下[9]。對LDMOS管子的 MRF21060進行靜態(tài)工作點掃描，選定合適的靜態(tài)工作點，如圖3所示。

圖3 MRF21060靜態(tài)工作點掃描（VDS＝28V）

根據(jù)Doherty技術要求，功率放大器偏置的選擇，應該使主放大器達到飽和的時候，這時輔助放大器才開始工作，這樣才能達到相當高的效率。

4.2 電路匹配設計

LOAD PULL（負載牽引技術）測量方法能使設計者確定負載阻抗ZL.RF功率放大器在大信號工作時，晶體管的最佳負載阻抗會隨著輸入信號功率的增加而跟著改變，因此，必須在史密斯圓圖上，針對不同的輸入功率單位，每給定一個輸入功率值就給繪出不同負載阻抗時的等輸出功率曲線（power contours），幫助找出最大輸出功率時的負載阻抗，這種方法稱為 LOAD PULL[10]。

LOAD PULL是基本的測試大功率功放管輸入輸出負載特性的方法，理論上來說LOAD PULL可以通過負載的變化，得到各個負載下的特性，而相同特性如增益相等點可以組成類似地圖的等高線的圓圖。如增益圓、等效率圓、等線形圓等[12]，得到這些信息后，就可以在設計中根據(jù)要求進行權衡設計。例如在具體的增益和線形要求下，可以找對應的等增益圓和等線形圓的交集區(qū)域的中點位置作為阻抗匹配的目標。根據(jù)仿真結果：在指定的偏囂下，如果輸入信號為30dBm，則最大的功率附加效率為42.84%，最大的輸出功率為14.34dBm。選定最優(yōu)化的負載為3.530－j2.811。

圖4 CLASS AB功率放大器的功率附加效率仿真結果

圖5 Doherty功率放大器的功率附加效率仿真結果

通過圖4和圖5，可以看出Doherty功率放大器的功率附加效率比普通的AB類功率放大器附加效率提高了。Doherty功率放大器的設計完全能滿足該系統(tǒng)使用。

5 結語

本文主要介紹機載實況攝錄傳輸系統(tǒng)中Doherty功率放大器的設計，使得該系統(tǒng)能夠“高速移動”和“非視距”條件下，對被試品的整個運動過程進行跟蹤拍攝，實現(xiàn)高質量的實時的無線圖像和聲音的傳輸，并把攝錄實況實時傳遞到試驗指揮船，使指揮員能及時了解被試品的運動態(tài)勢，幫助指揮員做出正確的決策。

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