射頻功率放大器被廣泛應用于各種無(wú)線(xiàn)通信設備中。在通訊基站中，線(xiàn)性功放占其成本比例約占1/3。高效率，低成本的解決功放的線(xiàn)性化問(wèn)題顯得非常重要。因此高效率高線(xiàn)性的功放一直是功放研究的熱門(mén)課題。

 

1.Doherty功率放大器應用背景

伴隨著(zhù)現代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的高速發(fā)展，通信產(chǎn)品已經(jīng)廣泛的融入了人們的生活中，對人們的影響越來(lái)越大。射頻功率放大器作為無(wú)線(xiàn)通信系統中主要器件之一，其性能對系統終端的影響重大。無(wú)線(xiàn)通信系統的標準由傳統的GSM標準到第三代通信標準WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000，以及今天的第四代通信標準LTE(Long Term Evaluation)。信號的調制方式也隨之發(fā)生改變，由恒包絡(luò )調制向包絡(luò )變換調制方式轉變。

 

例如，在WCDMA中采用的OFDM包絡(luò )變換調制方式，其傳輸功率有著(zhù)較高的均峰比，來(lái)滿(mǎn)足最大限度的增加系統的容量。因此需要功率放大器能夠在一定的功率回退中保證PA的線(xiàn)性度。但是傳統的功率放大器在功率回退范圍內的效率很低，因此，提高基站中功率放大器在功率回退中的效率變得尤為重要。提高效率的方法有很多， Doherty功率放大器技術(shù)結構簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)勢，早已成為基站功率放大器研究的熱點(diǎn)。當前射頻功率放大器的設計正圍繞著(zhù)“高效率”、“多波段”、“高線(xiàn)性化”的方向發(fā)展。

 

2.Doherty功率放大器架構

 

圖1

 

3.Doherty功率放大器工作原理概述

Doherty結構由2個(gè)功放組成： 一個(gè)Main Amplifier(主功放)，一個(gè)Peak Amplifier(輔助功放)，主功放工作在A(yíng)B類(lèi)，輔助功放工作在B類(lèi)或C類(lèi)。兩個(gè)功放不是輪流工作，而是主功放一直工作，輔助功放到設定的峰值才工作。主功放后面的四分之一波長(cháng)線(xiàn)是阻抗變換，目的是在輔助功放工作時(shí)，起到將主功放的視在阻抗減小的作用，保證輔助功放工作的時(shí)候和后面的電路組成的有源負載阻抗變低，這樣主功放輸出電流就變大。由于主功放后面有了四分之一波長(cháng)線(xiàn)，為了使兩個(gè)功放輸出同相，在輔助功放前面也需要四分之一波長(cháng)線(xiàn)，用以平衡二路的相位。如圖1所示。

 

4.Doherty功放工作的三個(gè)階段

Doherty技術(shù)是有源負載調制技術(shù)，主功放的負載隨著(zhù)信號強度的變化而變化。從輸入信號強度劃分，Doherty功放的工作區域可以大致分為三個(gè)階段：小信號階段、中等信號階段和大信號階段。如圖2所示。

 

 

a)小信號階段

在小信號階段，由于峰值功放工作在B類(lèi)或C類(lèi)，信號強度不足以使其工作，因此其截止，呈現開(kāi)路狀態(tài)。主功放由于四分之一波長(cháng)變換線(xiàn)將等效負載變?yōu)?00Ω，負載電壓升高，使主功放提前進(jìn)入預飽和狀態(tài)，效率提高。

 

b)中等信號階段

當信號逐漸增強時(shí)，輔助功放開(kāi)啟，有源調制效應出現，主功放的等效負載由100Ω向50Ω的方向減?。ú](méi)有達到50Ω），而主功放的電壓受到輔助功放牽制保持預飽和狀態(tài)，輔助功放的負載由開(kāi)路狀態(tài)向50Ω轉變。

此時(shí)功放由最大效率狀態(tài)向最大輸出狀態(tài)轉變，效率維持不變（理想情況），線(xiàn)性有所提高。

 

c)大信號階段

隨著(zhù)輸入信號的逐漸增強，輔助功放和主功放的電流增大，主功放的輸出電壓不變（理想情況），保持高效率。而主功放的負載繼續減小，輸出功率增加，當輔助功放達到飽和時(shí)，主功放和輔助功放的電流都達到了最大值。主功放，輔助功放負載均為50Ω，輸出功率達到最大。

 

5.Doherty功放的設計

a)Doherty功放的缺點(diǎn)和注意點(diǎn)

前面提到了Doherty結構簡(jiǎn)單和效率高的特點(diǎn)，但它也有不可克服的缺點(diǎn)，增益降低，帶寬減小，敏感度高。

●增益降低

Doherty功放和AB類(lèi)功放相比，其增益降低了2-3dB，原因是輔助功放處于C類(lèi)，而末級功放的增益降低會(huì )影響到Doherty功放設計，因此在設計選擇推動(dòng)級時(shí)，要考慮到增益降低帶來(lái)的影響，多留出設計余量。

●帶寬減小

通過(guò)調試或者仿真可以看出，Doherty是個(gè)窄帶系統，帶寬小，尤其是線(xiàn)性。調試時(shí)經(jīng)常發(fā)現調好高端后，發(fā)現低端又不能滿(mǎn)足指標要求。原因是阻抗變換和1/4波長(cháng)變換線(xiàn)的窄帶特性導致的。

●敏感度高

前面提到Doherty的實(shí)質(zhì)就是有源負載調制，兩路功放相互影響程度較大，敏感度較高。由于這種敏感度存在，所以研發(fā)階段應該在比較敏感的地方預留一些可調試的部分（焊盤(pán)），便于生產(chǎn)中校正其離散性。

 

b)Doherty功放設計要點(diǎn)

功放主要是由功放管，偏置電路，匹配電路三部分組成，關(guān)注的要點(diǎn)是效率，線(xiàn)性，穩定性。

●穩定性

不穩定是功放設計中比較忌諱的事情。輕則雜散大，重則無(wú)法正常工作。比如自激，燒LDMOS管等。其實(shí)不穩定就是放大器變成了振蕩器。設計時(shí)可以通過(guò)如下措施進(jìn)行避免。

 

◊ 偏置電路反饋及處理辦法

采用1/4波長(cháng)微帶線(xiàn)和去耦電容的方法阻止反饋回路的形成。

PCB板和地平面的要有足夠多的螺釘固定，并且在功放管附近保證良好接地。

◊ 結構分腔設計

單個(gè)腔體中增益過(guò)高容易引起空間的耦合，加蓋板影響較大。單個(gè)腔體內的增益最好小于30dB，過(guò)高的增益需要分腔設計，兩路之間要用金屬隔擋，盡量長(cháng)，蓋板上增加屏蔽條，有效隔斷減小相互影響。

◊ 兩級級間的考慮

 

在直接級聯(lián)時(shí)，放大器間的影響是不可消除的。即使單級放大器是穩定和指標良好的，但級聯(lián)效果不一定就好，這時(shí)就需要增加隔離器或者電阻衰減網(wǎng)絡(luò )。

 

c)Doherty功放的設計思路
 

◊ 按照AB類(lèi)功放的方法設計輸入輸出匹配。

◊ 按照Doherty的架構組合兩路功放，并加上offset線(xiàn)。

◊ 在整體架構上調整各offset線(xiàn)的長(cháng)度以實(shí)現高效率和高線(xiàn)性。