高效率Doherty功放

上海润欣科技股份有限公司创研社

导语：射频功率放大器被广泛应用于各种无线通信设备中。在通讯基站中，线性功放占其成本比例约占1/3。高效率，低成本的解决功放的线性化问题显得非常重要。因此高效率高线性的功放一直是功放研究的热门课题。

Doherty功率放大器应用背景

伴随着现代无线通信技术的高速发展，通信产品已经广泛的融入了人们的生活中，对人们的影响越来越大。射频功率放大器作为无线通信系统中主要器件之一，其性能对系统终端的影响重大。无线通信系统的标准由传统的GSM标准到第三代通信标准WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000，以及今天的第四代通信标准LTE(Long Term Evaluation)。信号的调制方式也随之发生改变，由恒包络调制向包络变换调制方式转变。例如，在WCDMA中采用的OFDM包络变换调制方式，其传输功率有着较高的均峰比，来满足最大限度的增加系统的容量。因此需要功率放大器能够在一定的功率回退中保证PA的线性度。但是传统的功率放大器在功率回退范围内的效率很低，因此，提高基站中功率放大器在功率回退中的效率变得尤为重要。提高效率的方法有很多， Doherty功率放大器技术结构简单，性价比高等优势，早已成为基站功率放大器研究的热点。当前射频功率放大器的设计正围绕着“高效率”、“多波段”、“高线性化”的方向发展。

Doherty功率放大器架构

图1

Doherty功率放大器工作原理概述

Doherty结构由2个功放组成： 一个Main Amplifier(主功放)，一个Peak Amplifier(辅助功放)，主功放工作在AB类，辅助功放工作在B类或C类。两个功放不是轮流工作，而是主功放一直工作，辅助功放到设定的峰值才工作。主功放后面的四分之一波长线是阻抗变换，目的是在辅助功放工作时，起到将主功放的视在阻抗减小的作用，保证辅助功放工作的时候和后面的电路组成的有源负载阻抗变低，这样主功放输出电流就变大。由于主功放后面有了四分之一波长线，为了使两个功放输出同相，在辅助功放前面也需要四分之一波长线，用以平衡二路的相位。如图1所示。

Doherty功放工作的三个阶段

Doherty技术是有源负载调制技术，主功放的负载随着信号强度的变化而变化。从输入信号强度划分，Doherty功放的工作区域可以大致分为三个阶段：小信号阶段、中等信号阶段和大信号阶段。如图2所示。

图二

1.小信号阶段

在小信号阶段，由于峰值功放工作在B类或C类，信号强度不足以使其工作，因此其截止，呈现开路状态。主功放由于四分之一波长变换线将等效负载变为100Ω，负载电压升高，使主功放提前进入预饱和状态，效率提高。

2.中等信号阶段

当信号逐渐增强时，辅助功放开启，有源调制效应出现，主功放的等效负载由100Ω向50Ω的方向减小（并没有达到50Ω），而主功放的电压受到辅助功放牵制保持预饱和状态，辅助功放的负载由开路状态向50Ω转变。

此时功放由最大效率状态向最大输出状态转变，效率维持不变（理想情况），线性有所提高。

3.大信号阶段

随着输入信号的逐渐增强，辅助功放和主功放的电流增大，主功放的输出电压不变（理想情况），保持高效率。而主功放的负载继续减小，输出功率增加，当辅助功放达到饱和时，主功放和辅助功放的电流都达到了最大值。主功放，辅助功放负载均为50Ω，输出功率达到最大。 

Doherty功放的设计

1.Doherty功放的缺点和注意点

前面提到了Doherty结构简单和效率高的特点，但它也有不可克服的缺点，增益降低，带宽减小，敏感度高。

- 增益降低

Doherty功放和AB类功放相比，其增益降低了2-3dB，原因是辅助功放处于C类，而末级功放的增益降低会影响到Doherty功放设计，因此在设计选择推动级时，要考虑到增益降低带来的影响，多留出设计余量。

- 带宽减小

通过调试或者仿真可以看出，Doherty是个窄带系统，带宽小，尤其是线性。调试时经常发现调好高端后，发现低端又不能满足指标要求。原因是阻抗变换和1/4波长变换线的窄带特性导致的。

- 敏感度高

前面提到Doherty的实质就是有源负载调制，两路功放相互影响程度较大，敏感度较高。由于这种敏感度存在，所以研发阶段应该在比较敏感的地方预留一些可调试的部分（焊盘），便于生产中校正其离散性。

 

2.Doherty功放设计要点

功放主要是由功放管，偏置电路，匹配电路三部分组成，关注的要点是效率，线性，稳定性。

- 稳定性

不稳定是功放设计中比较忌讳的事情。轻则杂散大，重则无法正常工作。比如自激，烧LDMOS管等。其实不稳定就是放大器变成了振荡器。

设计时可以通过如下措施进行避免。

- 偏置电路反馈及处理办法

采用1/4波长微带线和去耦电容的方法阻止反馈回路的形成。

PCB板和地平面的要有足够多的螺钉固定，并且在功放管附近保证良好接地。

- 结构分腔设计

单个腔体中增益过高容易引起空间的耦合，加盖板影响较大。单个腔体内的增益最好小于30dB，过高的增益需要分腔设计，两路之间要用金属隔挡，尽量长，盖板上增加屏蔽条，有效隔断减小相互影响。

- 两级级间的考虑

在直接级联时，放大器间的影响是不可消除的。即使单级放大器是稳定和指标良好的，但级联效果不一定就好，这时就需要增加隔离器或者电阻衰减网络。

 

3.Doherty功放的设计思路

- 按照AB类功放的方法设计输入输出匹配。

- 按照Doherty的架构组合两路功放，并加上offset线。

- 在整体架构上调整各offset线的长度以实现高效率和高线性。