从零开始设计Doherty放大器的射频电路

Doherty放大器用于许多射频功率应用。尽管参考设计可能经常被使用，但需要了解其操作和射频电路设计挑战，以便定制设计满足其要求。

Doherty放大器设计要求用于高效运行的两个放大器以及分离、匹配组合和相位都进行优化，以实现所需的结果并提高效率。

从零开始设计Doherty放大器的射频电路是一个复杂的过程，需要对技术和放大器每个元件的性能有深入的了解和理解。

Doherty放大器操作

在了解Doherty放大器的射频电路设计之前，有必要先了解一下射频放大器的基本工作原理。

Doherty放大器的基本概念

Doherty放大器的RF电路设计使用主放大器或载波放大器，该放大器通常偏置为AB类操作。第二个有源器件，通常称为辅助放大器或峰值放大器，通常偏置于C类操作。

信号进入整个Doherty功率放大器，并被呈现给分路器。这会产生两个信号，它们彼此相移 90°。其原因是使用电感分路器来降低功率损耗，并在两个信号之间产生 90° 的相移。

一个输出呈现给载波放大器。这旨在适应在平均功率水平附近遇到的较低功率水平。这旨在为这些功率水平提供最佳效率。

Doherty放大器工作区域

信号也被呈现给峰值放大器。这是有偏差的，因此它只有在存在载波放大器无法自行适应的大峰值时才开始工作。作为较高功率放大器，这不会为较低功率水平提供高水平的效率，因此它仅在存在较高功率水平时工作。通过这种方式，可以在功率范围内获得最佳效率。

一个信号已经通过RF放大器电路本身，输出通过分路器电路的反向组合。由于它还具有 90° 的相移，因此用于抵消输入端的相移。因此，来自两个放大器部分的信号保持同相。

Doherty放大器操作：细节

基本的Doherty放大器理论要求两半之间的信号在相位上匹配，以便组合以两个信号相加的方式发生，以提供所需的输出。

Doherty放大器输入端的功率分配相对简单。功率分配是使用正交分配器完成的：典型的拓扑结构包括朗格或分支线技术。

输入的工作方式类似于平衡放大器。它具有相同的特性，如果反射系数在幅度和相位上相等，则失配放大器的反射系数会降低。反射波在端接耦合器隔离端口的负载中消散。

Doherty放大器电路块

输出端两个放大器信号的组合会带来更多问题。两个信号相差90°，在峰值放大器的输出电路中使用四分之一波线使它们再次相互同相。

阻抗也需要精确匹配，以确保保持效率。两个RF放大器的阻抗均为Z0/2.这被提升到 Z0由四分之一波变压器。

这看起来很简单，但鉴于峰值放大器仅在峰值上工作，放大器以非线性方式工作。在工作期间，一个放大器的响应会主动拉动另一个放大器的负载牵引，因为它们不是隔离的。这意味着需要进行非线性分析才能完成设计。

可以在同一类中操作两个RF放大器部分，但在需要时使用自适应偏置方案来打开峰值放大器 - 通常载波放大器在A类或AB类工作，峰值放大器在C类工作。另一种方法是使用尺寸不等的器件，或者可以在输入端使用不等分功率分配器。

Doherty放大器设计问题

在射频电路设计过程中，开发人员的目标是在预期条件下尽可能高效地提供最佳性能。然而，这些目标不可能同时实现，需要做出重大权衡。

为了实现最佳的整体性能，有必要找到一个参数集和工作点，以在设计对频率、相位和电平变化的灵敏度之间提供良好的折衷方案。这需要对放大器、分路器和合路器的特性有深入的了解。

通常，RF电路设计技术涉及使用制造商的参考设计，然后可以对其进行微调。这通常很难针对所探索的特定应用完全优化设计，因为通常只对参考设计进行微小的设计更改。

可以看出，如果整个放大器要正常工作，Doherty放大器的射频电路设计会带来许多有趣和具有挑战性的方面：

阶段维护：从理论上讲，通过不同路径的信号在组合点处的相位应该是相同的。射频分路器在一条腿上引入了 90° 相移，这可以在组合阶段消除，因为合路器中也会发生 90° 偏移，并且可以在另一条腿中添加。然而，放大器会引入相移，这可能并不匹配，因为一个设计用于处理较低的功率电平，另一个用于处理峰值。这意味着它们的特征将不同（在不对称的情况下）。

阻抗匹配：确保两个RF放大器的阻抗在工作范围内得到充分保持，可能会在某些设计中出现问题。优化不同的电子元件以实现这一目标可能很困难。

线性度维持：研究发现，当峰值放大器开始工作时，放大器的线性度可能会出现扭结或干扰。这会增加被放形的失真。此外，还需要注意确保整个工作范围内的线性度。

带宽：通常，Doherty放大器设计在带宽方面受到限制。一些电子元件（包括分路器和合路器）的带宽有限，除此之外，它们的相移变化很大，从而影响了整个放大器设计的性能。

在大多数情况下，使用Doherty放大器的参考设计，这通常只需要对某些电子元件的值进行小幅调整。通常，这些参考设计是为一些最常见的最终用途提供的，因此几乎不需要对设计进行任何操作。

通常，参考射频设计，包括PCB布局，可以合并到整个印刷电路板布局中，但对某些电子元件值进行微小的更改。尽管如此，仍需要注意确保最终的射频电路设计按要求运行。即使是对印刷电路板布局的微小更改也会对性能产生重大影响。

尽管 Doherty 放大器在射频电路设计方面存在挑战，但它在蜂窝基站的最终功率输出级以及其他无线通信和无线电通信应用等应用中已经确立了稳固的地位。

尽管在设计过程中存在困难，但当射频设计得到优化后，Doherty放大器能够在效率和其他领域提供显著的性能改进。在开发新的蜂窝基站、无线通信系统以及各种类型的无线电通信系统时，这些都非常有用。
审核编辑：黄飞