技術(shù)知識(shí)分享：高效率Doherty功放

導(dǎo)語(yǔ)

射頻功率放大器被廣泛應(yīng)用于各種無(wú)線通信設(shè)備中。在通訊基站中，線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性化問(wèn)題顯得非常重要。因此高效率高線性的功放一直是功放研究的熱門(mén)課題。

Doherty功率放大器應(yīng)用背景

伴隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(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(duì)人們的影響越來(lái)越大。射頻功率放大器作為無(wú)線通信系統(tǒng)中主要器件之一，其性能對(duì)系統(tǒng)終端的影響重大。無(wú)線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)由傳統(tǒng)的GSM標(biāo)準(zhǔn)到第三代通信標(biāo)準(zhǔn)WCDMA、TD－SCDMA、CDMA2000，以及今天的第四代通信標(biāo)準(zhǔn)LTE（Long Term Evaluation）。信號(hào)的調(diào)制方式也隨之發(fā)生改變，由恒包絡(luò)調(diào)制向包絡(luò)變換調(diào)制方式轉(zhuǎn)變。例如，在WCDMA中采用的OFDM包絡(luò)變換調(diào)制方式，其傳輸功率有著較高的均峰比，來(lái)滿足最大限度的增加系統(tǒng)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的線性度。但是傳統(tǒng)的功率放大器在功率回退范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，早已成為基站功率放大器研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前射頻功率放大器的設(shè)計(jì)正圍繞著“高效率”、“多波段”、“高線性化”的方向發(fā)展。

Doherty功率放大器架構(gòu)

圖1

Doherty功率放大器工作原理概述

Doherty結(jié)構(gòu)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AB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(shè)定的峰值才工作。主功放后面的四分之一波長(zhǎng)線是阻抗變換，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(fù)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(zhǎng)線，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(zhǎng)線，用以平衡二路的相位。如圖1所示。

Doherty功放工作的三個(gè)階段

Doherty技術(shù)是有源負(fù)載調(diào)制技術(shù)，主功放的負(fù)載隨著信號(hào)強(qiáng)度的變化而變化。從輸入信號(hào)強(qiáng)度劃分，Doherty功放的工作區(qū)域可以大致分為三個(gè)階段：小信號(hào)階段、中等信號(hào)階段和大信號(hào)階段。如圖2所示。

圖二

1．小信號(hào)階段

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

2．中等信號(hào)階段

當(dāng)信號(hào)逐漸增強(qiáng)時(shí)，輔助功放開(kāi)啟，有源調(diào)制效應(yīng)出現(xiàn)，主功放的等效負(fù)載由100Ω向50Ω的方向減?。ú](méi)有達(dá)到50Ω），而主功放的電壓受到輔助功放牽制保持預(yù)飽和狀態(tài)，輔助功放的負(fù)載由開(kāi)路狀態(tài)向50Ω轉(zhuǎn)變。

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

3．大信號(hào)階段

隨著輸入信號(hào)的逐漸增強(qiáng)，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(fù)載繼續(xù)減小，輸出功率增加，當(dāng)輔助功放達(dá)到飽和時(shí)，主功放和輔助功放的電流都達(dá)到了最大值。主功放，輔助功放負(fù)載均為50Ω，輸出功率達(dá)到最大。

Doherty功放的設(shè)計(jì)

1．Doherty功放的缺點(diǎn)和注意點(diǎn)

前面提到了Doherty結(jié)構(gòu)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(jí)功放的增益降低會(huì)影響到Doherty功放設(shè)計(jì)，因此在設(shè)計(jì)選擇推動(dòng)級(jí)時(shí)，要考慮到增益降低帶來(lái)的影響，多留出設(shè)計(jì)余量。

－ 帶寬減小

通過(guò)調(diào)試或者仿真可以看出，Doherty是個(gè)窄帶系統(tǒng)，帶寬小，尤其是線性。調(diào)試時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)調(diào)好高端后，發(fā)現(xiàn)低端又不能滿足指標(biāo)要求。原因是阻抗變換和1／4波長(zhǎng)變換線的窄帶特性導(dǎo)致的。

－ 敏感度高

前面提到Doherty的實(shí)質(zhì)就是有源負(fù)載調(diào)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(yīng)該在比較敏感的地方預(yù)留一些可調(diào)試的部分（焊盤(pán)），便于生產(chǎn)中校正其離散性。

2．Doherty功放設(shè)計(jì)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，線性，穩(wěn)定性。

－ 穩(wěn)定性

不穩(wěn)定是功放設(shè)計(jì)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(wěn)定就是放大器變成了振蕩器。設(shè)計(jì)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(zhǎng)微帶線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(jié)構(gòu)分腔設(shè)計(jì)

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(nèi)的增益最好小于30dB，過(guò)高的增益需要分腔設(shè)計(jì)，兩路之間要用金屬隔擋，盡量長(zhǎng)，蓋板上增加屏蔽條，有效隔斷減小相互影響。

－ 兩級(jí)級(jí)間的考慮

在直接級(jí)聯(lián)時(shí)，放大器間的影響是不可消除的。即使單級(jí)放大器是穩(wěn)定和指標(biāo)良好的，但級(jí)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)。

3．Doherty功放的設(shè)計(jì)思路

－ 按照AB類(lèi)功放的方法設(shè)計(jì)輸入輸出匹配。

－ 按照Doherty的架構(gòu)組合兩路功放，并加上offset線。

－ 在整體架構(gòu)上調(diào)整各offset線的長(zhǎng)度以實(shí)現(xiàn)高效率和高線性。