Doherty 放大器簡(jiǎn)介

今天我們一起來(lái)學(xué)習(xí)一下Doherty 放大器的相關(guān)知識(shí)。作為一個(gè)射頻工程師，你想在業(yè)界留下你的名字嗎？發(fā)明一個(gè)以你的名字命名的射頻器件就可以。射頻領(lǐng)域青史留名的大神除了我們之前介紹的 Simith 原圖，Wilkinson 功分器，Lange 耦合器，還有一個(gè)比較有名的就是今天要介紹的Doherty大神——Doherty放大器的發(fā)明人。

William Doherty曾在西部電氣的貝爾實(shí)驗(yàn)室工作，開(kāi)發(fā)用于跨洋廣播的高功率發(fā)射器.?他開(kāi)發(fā)的一種大大提高射頻功率放大器效率的方法使他的名字在當(dāng)今的射頻行業(yè)中廣為人知。1937 年 5 月，Doherty 因其想法而被無(wú)線電工程師協(xié)會(huì)授予莫里斯利布曼獎(jiǎng)。他還年輕二十九歲！他的發(fā)明很快被西方電氣工程師的忠實(shí)團(tuán)隊(duì)推向市場(chǎng)。到 1940 年，Western Electric 已將 Doherty 概念納入全球 35 個(gè)商業(yè)廣播電臺(tái)，功率高達(dá) 50 千瓦。在過(guò)去的二十年里，這個(gè)概念被微波設(shè)計(jì)者多次利用，包括 MMIC 表示；2004 IEEE Microwave Symposium 列出了大約 10 篇以“Doherty”為標(biāo)題的論文！

無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì) Doherty 放大器的要求

Doherty 放大器現(xiàn)在大量用于蜂窩電信系統(tǒng)以及許多其他需要更高功率水平和良好效率水平的無(wú)線電通信系統(tǒng)的基站發(fā)射機(jī)內(nèi)的 RF 電路設(shè)計(jì)。全球有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的基站，效率提升帶來(lái)的成本節(jié)約是巨大的。Doherty 功率放大器能夠提高放大器效率，同時(shí)使其保持線性工作模式。由于移動(dòng)通信/無(wú)線通信系統(tǒng)需要降低功耗并提高整體效率以保持其生態(tài)證書(shū)，因此降低功耗是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。

隨著用于 3G、4G 和 5G 移動(dòng)通信等系統(tǒng)以及其他無(wú)線電通信系統(tǒng)的更新調(diào)制格式的峰值與平均功率比不斷增加，線性度是最大限度減少數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的關(guān)鍵。然而，普通的線性放大器根本沒(méi)有效率，需要像 Doherty 原理這樣的技術(shù)來(lái)確保無(wú)線電通信和無(wú)線通信系統(tǒng)的功率放大器保持高效。

基本上，效率定義為輸出功率除以輸入功率，但這會(huì)受到許多問(wèn)題的影響，包括峰均功率比。要查看峰均功率比如何影響效率，有必要查看放大器的運(yùn)行情況。在線性模式下工作時(shí)，輸出設(shè)備必須始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出電壓在兩個(gè)限值之間上升和下降。

在這種模式下運(yùn)行時(shí)，通常稱為 A 類，可實(shí)現(xiàn)的最大理論效率為 50%，但在實(shí)際系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)的水平始終低于此水平。電路損耗是一個(gè)原因，但另一個(gè)原因是信號(hào)可能未達(dá)到 RF 放大器的最大電平。為了達(dá)到更好的效率水平，可以將放大器驅(qū)動(dòng)到壓縮狀態(tài)。使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)更高的效率水平。沒(méi)有幅度成分的頻率調(diào)制、FM 等信號(hào)不會(huì)因此而失真。唯一的信號(hào)劣化是產(chǎn)生了基本載波的額外諧波，但這些諧波可以使用 RF 濾波器濾除。

不幸的是，當(dāng)使用幅度分量調(diào)制的信號(hào)應(yīng)用于壓縮運(yùn)行的放大器時(shí)，會(huì)導(dǎo)致幅度失真。在極限情況下，當(dāng)放大器在完全限制模式下運(yùn)行時(shí)，所有幅度分量都會(huì)被剝離。對(duì)于當(dāng)今使用的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如 UMTS、HSPA、4G LTE、5G 等，所使用的射頻波形除了相位元素外還包含幅度分量，因此它們需要線性射頻放大器。當(dāng)峰均比增加時(shí)，情況會(huì)變得更糟，因?yàn)榉糯笃鞅仨毮軌蜻m應(yīng)峰值，同時(shí)在其操作中保持線性。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，放大器只能以非常低的平均功率運(yùn)行，這會(huì)降低效率。

Doherty 放大器的工作原理

當(dāng)輸出功率從飽和狀態(tài)回退時(shí)，與平衡放大器相比，Doherty 放大器提供了更高的效率。Doherty 放大器通常用于通信（無(wú)線電，而不是雷達(dá)）。Doherty 放大器的核心是 Doherty 合路器，如下所示。

Doherty 放大器功率組合了兩個(gè)（最近，更多）放大器，一個(gè)稱為“載波”放大器，而第二個(gè)稱為“峰值”放大器。在許多 Doherty 放大器中（將在下面進(jìn)一步討論更多替代方案），兩個(gè)放大器的偏置不同，載波放大器處于正常的 AB 類（提供任何功率電平的增益）或 B 類，而峰值放大器處于 C 類只在周期的一半進(jìn)行。

與平衡放大器相比，Doherty 放大器的優(yōu)點(diǎn)在于在回退功率水平下提高了功率附加效率。如果您總是在飽和功率下運(yùn)行（就像在許多雷達(dá)中一樣），那么您就無(wú)法使用 Doherty。Doherty 放大器對(duì)的工作原理如下：在輸入上，使用正交耦合器（不一定是等分）分割信號(hào)，例如Lange或分支線混合（分支線顯示在我們的原理圖中）。輸入的行為與平衡放大器相同，并且具有相同的特性，即如果反射系數(shù)的幅度和相位相等，則失配放大器的反射系數(shù)會(huì)降低，反射波最終會(huì)進(jìn)入負(fù)載端接耦合器的隔離端口。 Doherty 對(duì)的輸出是生活變得有趣的地方。

兩個(gè)信號(hào)的相位相差 90 度，但通過(guò)增加峰值放大器的四分之一波傳輸線，它們會(huì)恢復(fù)同相并進(jìn)行無(wú)功組合。此時(shí)，并聯(lián)的兩個(gè)信號(hào)形成 Z0/2 阻抗。這是由四分之一波變壓器提升到 Z0 的。在 50 歐姆系統(tǒng)中，變壓器為 35.35 歐姆。然而，放大器是非線性工作的，因此輸出組合器更加復(fù)雜。在操作期間，一個(gè)放大器的響應(yīng)會(huì)主動(dòng)負(fù)載拉另一個(gè)放大器，因?yàn)樗鼈儾幌裨谕柦鹕?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1554959.html">功率分配器中那樣被隔離。

要設(shè)計(jì) Doherty 放大器，您將需要執(zhí)行非線性分析。當(dāng)我們說(shuō)載波放大器“先打開(kāi)”時(shí)，我們指的是整體輸入/輸出功率曲線。當(dāng)載波放大器開(kāi)始?jí)嚎s時(shí)，峰值放大器開(kāi)始工作。是的，我們?nèi)匀恍枰粋€(gè)圖形......有幾種方法可以使兩個(gè)放大器的行為不同。如前所述，您可以將它們?cè)O(shè)置在不同的偏差類中。您可以在同一類中操作它們，但在需要時(shí)使用自適應(yīng)偏置方案打開(kāi)峰值放大器。您可以使用大小不等的設(shè)備?；蛘吣梢栽谳斎肷鲜褂貌坏确止β史峙淦?。

Doherty 放大器類型

可以設(shè)計(jì)多種不同類型的 Doherty 功率放大器：

• • 對(duì)稱 Doherty 放大器：?? 這是
  • Doherty 放大器RF 電路設(shè)計(jì)的更直接的方法。它在電路中使用了兩個(gè)相同的射頻放大器，但沒(méi)有提供第二種類型
  的性能。
• 非對(duì)稱 Doherty 放大器：?? 非對(duì)稱 Doherty 是此類放大器射頻電路設(shè)計(jì)中使用最廣泛的格式。它在整個(gè)模塊中有兩個(gè)不同的 RF 放大器。在這種方法中，峰值放大器具有更高的功率能力。這意味著它可以適應(yīng)信號(hào)峰值，讓較低功率的放大器更有效地滿足較低的信號(hào)電平。這種方法可以實(shí)現(xiàn)更好的性能水平。
• 數(shù)字 Doherty 放大器：?? 傳統(tǒng)的模擬技術(shù)已應(yīng)用于 Doherty 放大器，但用于不同放大器和相位偏移的不同偏置方案具有有限的帶寬和效率 - Doherty 放大器的設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。Doherty 放大器的開(kāi)發(fā)是使用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行的。
• • 使用數(shù)字 Doherty 放大器方法，可以使用查找表來(lái)進(jìn)行載波和峰值放大器之間的動(dòng)態(tài)相位對(duì)齊。然后將數(shù)字預(yù)失真 DPD 與開(kāi)環(huán)放大器一起用于峰值放大器
  信號(hào)路徑。通過(guò)使用 DPD，峰值放大器的幅度調(diào)制/相位調(diào)制響應(yīng)變得相對(duì)恒定。這意味著通過(guò)在相位滯后信號(hào)路徑的輸入端添加恒定相移，可以相對(duì)容易地校正兩條傳輸線路徑之間的任何相位差問(wèn)題。

數(shù)字 Doherty 放大器尚未廣泛使用，但數(shù)字 Doherty 方法克服了完全線性方法的許多問(wèn)題，并且可以提供一些顯著的改進(jìn)。

Doherty示例

這是??組裝在 Doherty 評(píng)估板上的BLF888E 射頻功率晶體管對(duì)，該評(píng)估板在羅杰斯軟板材料的微帶中實(shí)現(xiàn)。圖像和晶體管可從 Ampleon 獲得。這是一件真正的藝術(shù)品，為什么你認(rèn)為RF電路板被稱為藝術(shù)品？在這種情況下，晶體管具有相同的尺寸并在同一點(diǎn)偏置。Doherty 動(dòng)作是由于輸入上的功率分配器不相等。它是通過(guò)威爾金森分壓器實(shí)現(xiàn)的，其中一個(gè)輸出后跟一個(gè)波浪形的高阻抗、四分之一波長(zhǎng)阻抗變壓器。功率比（您可以在網(wǎng)上找到）是 1:1.5。在輸出端，粗線是阻抗變壓器以匹配晶體管的低阻抗輸出。上面的路徑有一個(gè)額外的四分之一波長(zhǎng)，以使晶體管恢復(fù)同相。載波放大器在頂部，峰值放大器在底部；由于其前面的高阻抗線路，峰值放大器具有較低的輸入功率。那對(duì)放大器的峰值功率為 750 瓦！

Doherty 放大器的優(yōu)缺點(diǎn)

在考慮使用 Doherty 放大器時(shí)，有必要了解主要的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

Doherty 放大器優(yōu)勢(shì)：

能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率水平。技術(shù)不像包絡(luò)跟蹤那么復(fù)雜，它也提高了射頻放大器的效率

Doherty 放大器的缺點(diǎn)：

很難在很寬的帶寬上保持分路器的相移，因此 Doherty 放大器只能在有限的帶寬上使用。成本高于單個(gè)放大器。設(shè)計(jì)不易進(jìn)行并獲得最佳性能。

Doherty 放大器確實(shí)有其缺點(diǎn)，但越來(lái)越多地用于移動(dòng)電話基站和其他無(wú)線通信和通用無(wú)線電通信系統(tǒng)。在這里，Doherty 放大器能夠提供所需的改進(jìn)效率 - 蜂窩網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)消耗大量功率，運(yùn)營(yíng)商試圖減少這種情況以降低成本。除此之外，放大器需要是線性的，以防止可能發(fā)生的失真和其他影響，如頻譜再生，尤其是在放大器是非線性的情況下。

參考：
1，什么是 Doherty 放大器，https://www.electronics-notes.com/articles/radio/doherty-amplifier/basics-primer.php

2，Doherty Amplifiers，https://www.microwaves101.com/encyclopedias/doherty-amplifiers