Doherty放大器基础知识和理论

　　许多现代无线电通信系统使用高阶QAM传输，其峰值与平均功率比很高，并且需要线性射频放大器。这通常会导致最终射频功率放大器的效率低下。

　　Doherty放大器能够提供一种线性度，同时能够显著提高效率。

　　Doherty功率放大器是B类放大器配置的射频设计，通过具有两个放大器部分来实现高效率。一个放大器部分可满足较低幅度的信号情况。然后引入第二个放大器，以提供满足更高电平信号条件的能力，而不会陷入压缩状态。

　　通过这种方式，Doherty放大器能够同时提供线性度和效率。

　　Doherty功率放大器开发

　　Doherty功率放大器配置的概念是由贝尔电话实验室的William H. Doherty于1936年发明的。

　　尽管放大器射频设计的最初概念是在真空管/热离子阀时代开发的，但 Doherty 放大器满足了对运行高功率的发射器的需求，同时仍然需要保持合理的功率效率水平以降低成本、散热和运行成本。真空管/热离子阀非常耗电，因此任何效率的提高都会降低功耗，并且需要相当高的功率能力，从而降低成本和空间。

　　Doherty放大器的第一个RF电路设计使用了两个真空管放大器，它们都偏置在B类，能够向天线提供数十千瓦的功率。

　　Doherty 放大器的要求

　　Doherty放大器现在被广泛用于蜂窝电信系统的基站发射机中的射频电路设计，以及许多其他需要更高功率水平和良好效率水平的无线电通信系统。全球有数以百万计的基站，效率提高带来的成本节约是巨大的。

　　Doherty功率放大器能够提高放大器效率，同时使其能够保持线性工作模式。由于移动通信/无线通信系统需要降低功耗并提高整体效率以保持其生态证书，因此降低功耗是一项关键要求。

　　随着 3G、4G 和 5G 移动通信系统以及其他无线电通信系统使用较新的调制格式，峰均功率比不断提高，线性度是将数据误差降至最低的关键。

　　然而，普通的线性放大器效率并不高，需要像Doherty原理这样的技术来确保无线电通信和无线通信系统的功率放大器保持高效。

　　从根本上说，效率定义为输出功率除以输入功率，但这受到许多问题的影响，包括峰均功率比。

　　要了解峰均功率比如何影响效率，有必要查看放大器的操作。

　　在线性模式下工作时，输出器件必须始终处于导通状态，输出电压在两个限值之间上升和下降。

　　

　　放大器线性操作

　　当在这种模式（通常称为 A 类）下运行时，可以达到的最大理论效率为 50%，但在实际系统中，达到的水平始终低于此水平。电路损耗是一个原因，但另一个原因是信号可能未达到RF放大器的最大电平。

　　为了实现更好的效率水平，可以将放大器驱动到压缩状态。使用这种方法可以实现更高的效率水平。没有幅度成分的调频、FM 等信号不会因此而失真。唯一的信号衰减是产生基波载波的额外谐波，但这些谐波可以使用RF滤波器滤除。

　　不幸的是，当用幅度分量调制的信号施加到压缩运行的放大器时，会导致幅度失真。在极限时，当放大器以完全限制模式运行时，所有幅度分量都会被剥离。

　　对于目前使用的数据传输系统，如UMTS、HSPA、4G LTE、5G等，所使用的RF波形除了相位元件外还包含幅度分量，因此它们需要线性RF放大器。

　　当峰均比增加时，情况会变得更糟，因为放大器必须能够适应峰值，同时在其工作中保持线性。为了实现这一点，放大器只能以非常低的平均功率运行，这会降低效率。

　　

　　具有高峰均功率比的波形，PAPR

　　Doherty功率放大器能够适应具有较高峰均功率比的信号，同时仍保持良好的功率效率。它通过在一个整体射频放大器中使用两个放大器电路来适应所经历的不同条件来实现这一点。

　　它们的偏差不同，提供不同的功能。

　　载波放大器：整个Doherty放大器的这一部分通常工作在A类或AB类，并在任何功率水平下提供增益。它特别适用于承载所谓的平均幅度信号电平

　　峰值放大器：当载波放大器接近其极限时，第二个射频放大器开始发挥作用。峰值放大器提供载波放大器本身无法提供的额外功率能力。

　　Doherty放大器运行的关键之一是使峰值放大器部分仅在需要时才运行。如果它一直运行，那么效率将不会节省。目的是使载波放大器始终运行，并使峰值放大器在载波放大器开始进入压缩状态之前进入工作状态。

　　

　　Doherty放大器的基本概念

　　除了放大器本身之外，Doherty放大器配置的射频电路设计还需要射频分路器和合路器。这些项目使功率能够被引导到两个放大器，然后将它们的输出相加以提供复合输出。分路器和合路器还需要适应两个电路的相位和匹配要求。

　　Doherty 放大器类型

　　有许多不同类型的Doherty功率放大器可以设计：

　　对称 Doherty 放大器：这是Doherty放大器射频电路设计的更直接的方法。它在电路中使用了两个相同的射频放大器，但不能提供第二种类型的性能。

　　非对称 Doherty 放大器 ：非对称Doherty是此类放大器的射频电路设计中使用最广泛的格式。它在整个模块中有两个不同的射频放大器。在这种方法中，峰值放大器具有更高的功率能力。这意味着它可以适应信号峰值，使较低功率放大器能够更有效地满足较低的信号电平。这种方法可以实现更好的性能水平。

　　数字 Doherty 放大器 ：传统上，模拟技术已应用于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带宽和效率 - Doherty放大器的设计具有挑战性。Doherty放大器的开发是使用数字技术进行的。

　　使用数字Doherty放大器方法，可以使用查找表来测量载波放大器和峰值放大器之间的动态相位对齐。数字预失真，然后将DPD与开环放大器一起用于峰值放大器信号路径。通过使用DPD，峰值放大器的调幅/调相响应变得相对恒定。这意味着，通过在相位滞后信号路径的输入端添加恒定相移，可以相对容易地纠正两条传输线路径之间的任何相位差问题。

　　数字Doherty放大器尚未得到广泛应用，但数字Doherty方法克服了全线性方法的许多问题，并可以提供一些重大改进。

　　Doherty放大器的优点和缺点

　　在考虑使用 Doherty 放大器时，有必要了解主要优点和缺点。

　　Doherty放大器的优点

　　实现更高的效率水平。

　　技术不像包络跟踪那么复杂，这也提高了射频放大器的效率

　　Doherty放大器的缺点

　　难以在宽带宽上保持分路器的相移，因此Doherty放大器只能在有限的带宽内使用。

　　成本高于单个放大器。

　　设计并不容易进行并获得最佳性能。

　　Doherty放大器确实有其缺点，但越来越多地用于移动电话基站和其他无线通信和通用无线电通信系统。在这里，Doherty放大器能够提供所需的更高效率 - 蜂窝网络可能会消耗大量电力，运营商寻求降低功率以降低成本。除此之外，放大器需要是线性的，以防止失真和其他可能发生的频谱再生等影响，尤其是在放大器是非线性的情况下。

审核编辑：黄飞