多尔蒂放大器（Doherty Amplifier）简述

许多现代无线电通信系统采用高阶QAM（正交幅度调制）传输技术，这种技术具有高峰均功率比，并且需要线性射频放大器。这通常导致最终射频功率放大器的效率较低。

多尔蒂放大器（Doherty Amplifier）能够在提供线性度的同时，显著提高效率。

多尔蒂功率放大器是一种采用B类放大器配置的射频设计，通过使用两个放大器部分来实现高效率。其中一个放大器部分负责处理较低幅度的信号情况，而第二个放大器则在需要时投入使用，以满足更高电平信号的条件，而不会进入压缩状态。

通过这种方式，多尔蒂放大器能够同时提供线性度和高效率。

多尔蒂功率放大器的发展

多尔蒂功率放大器的概念由贝尔电话实验室的威廉·H. 多尔蒂（William H. Doherty）于1936年发明。尽管这种射频放大器的初始设计理念诞生于真空管时代，但多尔蒂放大器满足了高功率发射机的需求，同时仍需保持合理的功率效率水平，以降低成本、减少散热和运行成本。真空管耗电量巨大，因此任何效率的提升都会减少功耗，同时降低对高功率能力的需求，从而节省成本和空间。首个多尔蒂放大器的射频电路设计使用了两个真空管放大器，均采用B类偏置，能够向天线提供数十千瓦的功率。多尔蒂放大器的需求

如今，多尔蒂放大器在蜂窝通信系统的基站发射机以及其他许多需要高功率和高效率的无线电通信系统的射频电路设计中得到了广泛应用。全球有数百万个基站，效率提升带来的成本节约非常显著。

多尔蒂功率放大器能够在保持线性工作模式的同时提高效率。随着移动通信/无线通信系统需要降低功耗并提高整体效率以维持其环保形象，减少功耗已成为一项关键需求。

随着3G、4G、5G移动通信系统以及其他无线电通信系统中使用的新调制格式的峰均功率比不断增加，线性度成为最小化数据错误的关键。

然而，普通的线性放大器效率极低，因此需要像多尔蒂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。

简单来说，效率定义为输出功率除以输入功率，但这受到峰均功率比等多种因素的影响。

要了解峰均功率比如何影响效率，有必要研究放大器的工作方式。

当放大器在线性模式下工作时，输出器件必须始终处于导通状态，输出电压在两个极限之间波动。

在这种模式下（通常称为A类放大），理论上可以达到的最大效率为50%，但在实际系统中，实现的效率总是低于这一水平。电路损耗是一个原因，另一个原因是信号可能未达到射频放大器的最大电平。

为了提高效率，可以将放大器驱动至压缩状态。这种方法可以实现更高的效率。像频率调制（FM）这样没有幅度成分的信号不会因此失真。唯一的信号劣化是会产生基波载波的额外谐波，但这些谐波可以通过射频滤波器滤除。

然而，当带有幅度成分的调制信号被输入到运行在压缩状态的放大器时，会导致幅度失真。在极限情况下，当放大器以完全限幅模式运行时，所有幅度成分都会被剥离。

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成分外还包含幅度成分，因此需要线性射频放大器。

当峰均功率比增加时，情况会变得更糟，因为放大器必须能够适应峰值信号，同时保持线性工作状态。为了实现这一点，放大器只能在非常低的平均功率下运行，从而降低了效率。

多尔蒂放大器基础与理论

多尔蒂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。它通过在整体射频放大器中使用两个放大器电路来实现这一点，以适应不同的工作条件。

这两个放大器电路具有不同的偏置方式并提供不同的功能。

载波放大器：

这部分多尔蒂放大器通常工作在A类或AB类，并在任何功率水平下提供增益。它主要用于处理所谓的平均幅度信号水平。

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（峰值放大器）开始工作。峰值放大器提供了载波放大器单独无法提供的额外功率能力。

多尔蒂放大器工作的一个关键点是确保峰值放大器仅在需要时运行。如果它一直运行，则无法实现效率提升。目标是让载波放大器始终运行，而峰值放大器在载波放大器即将进入压缩状态时才开始工作。

除了放大器本身，多尔蒂放大器的射频电路设计还需要一个射频分配器和一个合成器。这些组件用于将功率分配到两个放大器，然后将它们的输出合并以提供复合输出。分配器和合成器还需要满足两个电路的相位和匹配要求。

多尔蒂放大器的类型
可以设计多种不同类型的多尔蒂功率放大器：

对称多尔蒂放大器：
这是多尔蒂放大器射频电路设计中较为直接的方法。它在电路中使用两个相同的射频放大器，但其性能不如第二种类型。

非对称多尔蒂放大器：
非对称多尔蒂放大器是此类放大器射频电路设计中最广泛使用的形式。它在整体模块中包含两个不同的射频放大器。在这种设计中，峰值放大器具有更高的功率能力。这意味着它可以处理信号峰值，而较低功率的放大器则更有效地处理较低信号水平。这种方法能够实现更好的性能。

数字多尔蒂放大器：
传统上，多尔蒂放大器采用模拟技术，但不同放大器的偏置方案和相位偏移限制了带宽和效率——多尔蒂放大器的设计具有挑战性。近年来，利用数字技术对多尔蒂放大器进行了开发。

在数字多尔蒂放大器方法中，可以使用查找表来实现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（DPD）随后与开环放大器一起用于峰值放大器的信号路径。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。这意味着可以通过在相位滞后信号路径的输入端添加恒定相位偏移来相对容易地纠正两条传输线路径之间的任何相位差异问题。

数字多尔蒂放大器尚未广泛使用，但数字多尔蒂方法克服了完全线性方法的许多问题，并可以提供一些显著的改进。

多尔蒂放大器的优点和缺点
在考虑使用多尔蒂放大器时，需要了解其主要优点和缺点。

多尔蒂放大器的优点：

能够实现更高的效率水平。
技术不像包络跟踪那样复杂，后者也能提高射频放大器的效率。

多尔蒂放大器的缺点：

难以在宽带宽内保持分配器的相位偏移，因此多尔蒂放大器只能在有限的带宽内使用。
成本高于单个放大器。
设计不易进行且难以获得最佳性能。

多尔蒂放大器确实有其缺点，但它在移动电话基站、其他无线通信系统以及一般无线电通信系统中的使用正在增加。在这些应用中，多尔蒂放大器能够提供所需的更高效率——蜂窝网络可能消耗大量电力，运营商希望通过降低功耗来减少成本。此外，放大器需要保持线性以防止失真和其他效应（如频谱再生），尤其是在放大器非线性时。

Doherty放大器被用于许多射频功率应用中。尽管参考设计可能经常被使用，但需要理解其工作原理以及射频电路设计的挑战，以便定制设计能够满足其要求。

Doherty放大器的设计要求所使用的两个放大器能够高效运行，并且需要优化分配、匹配组合和相位，以实现所需的结果并提高效率。

从头开始设计Doherty放大器的射频电路是一个复杂的过程，需要深入了解和掌握该技术以及放大器中每个元件的性能。

Doherty放大器的工作原理

在探讨Doherty放大器的射频电路设计之前，有必要先了解射频放大器的基本工作原理。

Doherty放大器的射频电路设计使用了一个主放大器或载波放大器，通常偏置在AB类工作状态。第二个有源器件通常称为辅助放大器或峰值放大器，通常偏置在C类工作状态。

信号进入整个Doherty功率放大器后，会被送到一个分配器。分配器生成两个相位相差90°的信号。这样设计的原因是使用电感分配器可以减少功率损耗，同时会在两个信号之间产生90°的相位差。

其中一个输出信号被送到载波放大器。该放大器设计用于处理平均功率水平附近的较低功率信号，旨在为这些功率水平提供最佳效率。

信号也会被送到峰值放大器。该放大器的偏置设计使其仅在出现较大峰值时开始工作，而这些峰值是载波放大器无法单独处理的。由于峰值放大器是一个高功率放大器，在低功率水平下无法提供高效率，因此它仅在较高功率水平出现时工作。通过这种方式，可以在整个功率范围内实现最佳效率。

当信号通过射频放大器电路后，输出信号会使用与分配器电路相反的结构进行合并。由于合并器也具有90°的相位偏移，这可以用来抵消输入端的相位偏移。因此，来自两个放大器部分的信号保持同相。

Doherty放大器的工作原理：细节

基本的Doherty放大器理论要求两半部分之间的信号在相位上匹配，以便合并时两个信号能够相加，从而提供所需的输出。

Doherty放大器输入端的功率分配相对简单。功率分配是通过正交分配器实现的：典型的拓扑结构包括Lange耦合器或分支线技术。

输入端的工作方式类似于平衡放大器。它具有相同的特性，即如果两个不匹配的放大器的反射系数在幅度和相位上相等，则反射系数会减小。反射波会在耦合器隔离端口的终端负载中耗散。

在射频电路设计过程中，开发者的目标是在预期条件下尽可能高效地提供最佳性能。然而，这些目标无法同时实现，因此需要进行显著的权衡。

为了实现最佳的整体性能，必须找到一组参数和工作点，使设计对频率、相位和电平变化的敏感性达到良好的平衡。这需要深入了解两个放大器以及分配器和组合器的特性。

通常，射频电路设计技术会使用制造商提供的参考设计，然后进行微调。这通常使得难以针对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改动。

可以看出，如果希望整个放大器工作良好，Doherty放大器的射频电路设计会面临许多有趣且具有挑战性的方面：

1. 相位保持：理论上，通过不同路径的信号在合并点的相位应相同。射频分配器会在一条路径上引入90°的相位偏移，而在合并阶段可以通过组合器的90°偏移来抵消，并在另一条路径上添加。然而，放大器会引入相位偏移，且由于一个放大器设计用于处理低功率水平，另一个用于处理峰值，它们的特性可能不完全匹配（在非对称情况下），这会导致相位不匹配。

2. 阻抗匹配：在某些设计中，确保两个射频放大器在工作范围内的阻抗得到充分保持可能会带来问题。优化不同的电子元件以实现这一点可能非常困难。

3. 线性度保持：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拐点或扰动，这会给被放大的波形带来失真。还需要注意确保整个工作范围内的线性度。

4. 带宽：通常，Doherty放大器的设计在带宽方面受到限制。包括分配器和组合器在内的一些电子元件的带宽有限，超出此范围时，它们的相位偏移会显著变化，从而影响整个放大器设计的性能。

在大多数情况下，Doherty放大器的参考设计会被使用，通常只需要对一些电子元件的值进行微调。这些参考设计通常针对一些最常见的最终用途提供，因此对设计的改动很少。

通常，参考射频设计（包括PCB布局）会被整合到整体印刷电路板布局中，但会对一些电子元件的值进行微调。尽管如此，仍需注意确保最终的射频电路设计按预期工作。即使对印刷电路板布局的微小改动也可能对性能产生重大影响。

尽管Doherty放大器的射频电路设计面临挑战，但它在蜂窝基站、其他无线通信和无线电通信应用的最终功率输出级等应用中确立了稳固的地位。

尽管设计过程存在困难，但当射频设计优化后，Doherty放大器能够在效率和其他领域提供显著的性能改进。这些优势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非常有用。