Doherty 放大器

今天我们一起来学习一下Doherty 放大器的相关知识。

作为一个射频工程师，你想在业界留下你的名字吗？发明一个以你的名字命名的射频器件就可以。射频领域青史留名的大神除了我们之前介绍的 Simith 原图，Wilkinson 功分器，Lange 耦合器，还有一个比较有名的就是今天要介绍的Doherty大神——Doherty放大器的发明人。

William Doherty曾在西部电气的贝尔实验室工作，开发用于跨洋广播的高功率发射器. 他开发的一种大大提高射频功率放大器效率的方法使他的名字在当今的射频行业中广为人知。1937 年 5 月，Doherty 因其想法而被无线电工程师协会授予莫里斯利布曼奖。他还年轻二十九岁！他的发明很快被西方电气工程师的忠实团队推向市场。到 1940 年，Western Electric 已将 Doherty 概念纳入全球 35 个商业广播电台，功率高达 50 千瓦。在过去的二十年里，这个概念被微波设计者多次利用，包括 MMIC 表示；2004 IEEE Microwave Symposium 列出了大约 10 篇以“Doherty”为标题的论文！

无线通信系统对 Doherty 放大器的要求

Doherty 放大器现在大量用于蜂窝电信系统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的基站发射机内的 RF 电路设计。全球有数以百万计的基站，效率提升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。

随着用于 3G、4G 和 5G 移动通信等系统以及其他无线电通信系统的更新调制格式的峰值与平均功率比不断增加，线性度是最大限度减少数据错误的关键。

然而，普通的线性放大器根本没有效率，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。

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

要查看峰均功率比如何影响效率，有必要查看放大器的运行情况。在线性模式下工作时，输出设备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。

在这种模式下运行时，通常称为 A 类，可实现的最大理论效率为 50%，但在实际系统中，实现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。

为了达到更好的效率水平，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。没有幅度成分的频率调制、FM 等信号不会因此而失真。唯一的信号劣化是产生了基本载波的额外谐波，但这些谐波可以使用 RF 滤波器滤除。

不幸的是，当使用幅度分量调制的信号应用于压缩运行的放大器时，会导致幅度失真。在极限情况下，当放大器在完全限制模式下运行时，所有幅度分量都会被剥离。

对于当今使用的数据传输系统，如 UMTS、HSPA、4G LTE、5G 等，所使用的射频波形除了相位元素外还包含幅度分量，因此它们需要线性射频放大器。

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，同时在其操作中保持线性。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。

Doherty 放大器的工作原理

当输出功率从饱和状态回退时，与平衡放大器相比，Doherty 放大器提供了更高的效率。Doherty 放大器通常用于通信（无线电，而不是雷达）。Doherty 放大器的核心是 Doherty 合路器，如下所示。 

Doherty 放大器功率组合了两个（最近，更多）放大器，一个称为“载波”放大器，而第二个称为“峰值”放大器。在许多 Doherty 放大器中（将在下面进一步讨论更多替代方案），两个放大器的偏置不同，载波放大器处于正常的 AB 类（提供任何功率电平的增益）或 B 类，而峰值放大器处于 C 类只在周期的一半进行。与平衡放大器相比，Doherty 放大器的优点在于在回退功率水平下提高了功率附加效率。如果您总是在饱和功率下运行（就像在许多雷达中一样），那么您就无法使用 Doherty。

Doherty 放大器对的工作原理如下：在输入上，使用正交耦合器（不一定是等分）分割信号，例如Lange或分支线混合（分支线显示在我们的原理图中）。输入的行为与平衡放大器相同，并且具有相同的特性，即如果反射系数的幅度和相位相等，则失配放大器的反射系数会降低，反射波最终会进入负载端接耦合器的隔离端口。 

Doherty 对的输出是生活变得有趣的地方。两个信号的相位相差 90 度，但通过增加峰值放大器的四分之一波传输线，它们会恢复同相并进行无功组合。此时，并联的两个信号形成 Z0/2 阻抗。这是由四分之一波变压器提升到 Z0 的。在 50 欧姆系统中，变压器为 35.35 欧姆。然而，放大器是非线性工作的，因此输出组合器更加复杂。在操作期间，一个放大器的响应会主动负载拉另一个放大器，因为它们不像在威尔金森功率分配器中那样被隔离。要设计 Doherty 放大器，您将需要执行非线性分析。

当我们说载波放大器“先打开”时，我们指的是整体输入/输出功率曲线。当载波放大器开始压缩时，峰值放大器开始工作。是的，我们仍然需要一个图形......

有几种方法可以使两个放大器的行为不同。如前所述，您可以将它们设置在不同的偏差类中。您可以在同一类中操作它们，但在需要时使用自适应偏置方案打开峰值放大器。您可以使用大小不等的设备。或者您可以在输入上使用不等分功率分配器。

Doherty 放大器类型

可以设计多种不同类型的 Doherty 功率放大器：

• 对称 Doherty 放大器：   这是Doherty 放大器RF 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，但没有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 RF 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，让较低功率的放大器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：   传统的模拟技术已应用于 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，可以使用查找表来进行载波和峰值放大器之间的动态相位对齐。然后将数字预失真 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，峰值放大器的幅度调制/相位调制响应变得相对恒定。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，可以相对容易地校正两条传输线路径之间的任何相位差问题。
  
  数字 Doherty 放大器尚未广泛使用，但数字 Doherty 方法克服了完全线性方法的许多问题，并且可以提供一些显着的改进。

Doherty示例

这是  组装在 Doherty 评估板上的BLF888E 射频功率晶体管对，该评估板在罗杰斯软板材料的微带中实现。图像和晶体管可从 Ampleon 获得。这是一件真正的艺术品，为什么你认为RF电路板被称为艺术品？在这种情况下，晶体管具有相同的尺寸并在同一点偏置。Doherty 动作是由于输入上的功率分配器不相等。它是通过威尔金森分压器实现的，其中一个输出后跟一个波浪形的高阻抗、四分之一波长阻抗变压器。功率比（您可以在网上找到）是 1:1.5。在输出端，粗线是阻抗变压器以匹配晶体管的低阻抗输出。上面的路径有一个额外的四分之一波长，以使晶体管恢复同相。载波放大器在顶部，峰值放大器在底部；由于其前面的高阻抗线路，峰值放大器具有较低的输入功率。那对放大器的峰值功率为 750 瓦！

Doherty 放大器的优缺点

在考虑使用 Doherty 放大器时，有必要了解主要的优点和缺点。

Doherty 放大器优势

• 能够实现更高的效率水平。

• 技术不像包络跟踪那么复杂，它也提高了射频放大器的效率

Doherty 放大器的缺点

• 很难在很宽的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上使用。

• 成本高于单个放大器。

• 设计不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改进效率 - 蜂窝网络可能会消耗大量功率，运营商试图减少这种情况以降低成本。除此之外，放大器需要是线性的，以防止可能发生的失真和其他影响，如频谱再生，尤其是在放大器是非线性的情况下。

参考：

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