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今天我們一起來學(xué)習(xí)一下Doherty 放大器的相關(guān)知識。作為一個射頻工程師，你想在業(yè)界留下你的名字嗎？發(fā)明一個以你的名字命名的射頻器件就可以。射頻領(lǐng)域青史留名的大神除了我們之前介紹的 Simith 原圖，Wilkinson 功分器，Lange 耦合器，還有一個比較有名的就是今天要介紹的Doherty大神——Doherty放大器的發(fā)明人。

William Doherty曾在西部電氣的貝爾實驗室工作，開發(fā)用于跨洋廣播的高功率發(fā)射器.?他開發(fā)的一種大大提高射頻功率放大器效率的方法使他的名字在當(dāng)今的射頻行業(yè)中廣為人知。1937 年 5 月，Doherty 因其想法而被無線電工程師協(xié)會授予莫里斯利布曼獎。他還年輕二十九歲！他的發(fā)明很快被西方電氣工程師的忠實團(tuán)隊推向市場。到 1940 年，Western Electric 已將 Doherty 概念納入全球 35 個商業(yè)廣播電臺，功率高達(dá) 50 千瓦。在過去的二十年里，這個概念被微波設(shè)計者多次利用，包括 MMIC 表示；2004 IEEE Microwave Symposium 列出了大約 10 篇以“Doherty”為標(biāo)題的論文！

無線通信系統(tǒng)對 Doherty 放大器的要求

Doherty 放大器現(xiàn)在大量用于蜂窩電信系統(tǒng)以及許多其他需要更高功率水平和良好效率水平的無線電通信系統(tǒng)的基站發(fā)射機內(nèi)的 RF 電路設(shè)計。全球有數(shù)以百萬計的基站，效率提升帶來的成本節(jié)約是巨大的。Doherty 功率放大器能夠提高放大器效率，同時使其保持線性工作模式。由于移動通信/無線通信系統(tǒng)需要降低功耗并提高整體效率以保持其生態(tài)證書，因此降低功耗是一項關(guān)鍵要求。

隨著用于 3G、4G 和 5G 移動通信等系統(tǒng)以及其他無線電通信系統(tǒng)的更新調(diào)制格式的峰值與平均功率比不斷增加，線性度是最大限度減少數(shù)據(jù)錯誤的關(guān)鍵。然而，普通的線性放大器根本沒有效率，需要像 Doherty 原理這樣的技術(shù)來確保無線電通信和無線通信系統(tǒng)的功率放大器保持高效。

基本上，效率定義為輸出功率除以輸入功率，但這會受到許多問題的影響，包括峰均功率比。要查看峰均功率比如何影響效率，有必要查看放大器的運行情況。在線性模式下工作時，輸出設(shè)備必須始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出電壓在兩個限值之間上升和下降。

在這種模式下運行時，通常稱為 A 類，可實現(xiàn)的最大理論效率為 50%，但在實際系統(tǒng)中，實現(xiàn)的水平始終低于此水平。電路損耗是一個原因，但另一個原因是信號可能未達(dá)到 RF 放大器的最大電平。為了達(dá)到更好的效率水平，可以將放大器驅(qū)動到壓縮狀態(tài)。使用這種方法可以實現(xiàn)更高的效率水平。沒有幅度成分的頻率調(diào)制、FM 等信號不會因此而失真。唯一的信號劣化是產(chǎn)生了基本載波的額外諧波，但這些諧波可以使用 RF 濾波器濾除。

不幸的是，當(dāng)使用幅度分量調(diào)制的信號應(yīng)用于壓縮運行的放大器時，會導(dǎo)致幅度失真。在極限情況下，當(dāng)放大器在完全限制模式下運行時，所有幅度分量都會被剝離。對于當(dāng)今使用的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如 UMTS、HSPA、4G LTE、5G 等，所使用的射頻波形除了相位元素外還包含幅度分量，因此它們需要線性射頻放大器。當(dāng)峰均比增加時，情況會變得更糟，因為放大器必須能夠適應(yīng)峰值，同時在其操作中保持線性。為了實現(xiàn)這一點，放大器只能以非常低的平均功率運行，這會降低效率。

Doherty 放大器的工作原理

當(dāng)輸出功率從飽和狀態(tài)回退時，與平衡放大器相比，Doherty 放大器提供了更高的效率。Doherty 放大器通常用于通信（無線電，而不是雷達(dá)）。Doherty 放大器的核心是 Doherty 合路器，如下所示。

Doherty 放大器功率組合了兩個（最近，更多）放大器，一個稱為“載波”放大器，而第二個稱為“峰值”放大器。在許多 Doherty 放大器中（將在下面進(jìn)一步討論更多替代方案），兩個放大器的偏置不同，載波放大器處于正常的 AB 類（提供任何功率電平的增益）或 B 類，而峰值放大器處于 C 類只在周期的一半進(jìn)行。

與平衡放大器相比，Doherty 放大器的優(yōu)點在于在回退功率水平下提高了功率附加效率。如果您總是在飽和功率下運行（就像在許多雷達(dá)中一樣），那么您就無法使用 Doherty。Doherty 放大器對的工作原理如下：在輸入上，使用正交耦合器（不一定是等分）分割信號，例如Lange或分支線混合（分支線顯示在我們的原理圖中）。輸入的行為與平衡放大器相同，并且具有相同的特性，即如果反射系數(shù)的幅度和相位相等，則失配放大器的反射系數(shù)會降低，反射波最終會進(jìn)入負(fù)載端接耦合器的隔離端口。 Doherty 對的輸出是生活變得有趣的地方。

兩個信號的相位相差 90 度，但通過增加峰值放大器的四分之一波傳輸線，它們會恢復(fù)同相并進(jìn)行無功組合。此時，并聯(lián)的兩個信號形成 Z0/2 阻抗。這是由四分之一波變壓器提升到 Z0 的。在 50 歐姆系統(tǒng)中，變壓器為 35.35 歐姆。然而，放大器是非線性工作的，因此輸出組合器更加復(fù)雜。在操作期間，一個放大器的響應(yīng)會主動負(fù)載拉另一個放大器，因為它們不像在威爾金森功率分配器中那樣被隔離。

要設(shè)計 Doherty 放大器，您將需要執(zhí)行非線性分析。當(dāng)我們說載波放大器“先打開”時，我們指的是整體輸入/輸出功率曲線。當(dāng)載波放大器開始壓縮時，峰值放大器開始工作。是的，我們?nèi)匀恍枰粋€圖形......有幾種方法可以使兩個放大器的行為不同。如前所述，您可以將它們設(shè)置在不同的偏差類中。您可以在同一類中操作它們，但在需要時使用自適應(yīng)偏置方案打開峰值放大器。您可以使用大小不等的設(shè)備?；蛘吣梢栽谳斎肷鲜褂貌坏确止β史峙淦鳌?/p>

Doherty 放大器類型

可以設(shè)計多種不同類型的 Doherty 功率放大器：

數(shù)字 Doherty 放大器尚未廣泛使用，但數(shù)字 Doherty 方法克服了完全線性方法的許多問題，并且可以提供一些顯著的改進(jìn)。

Doherty示例

這是??組裝在 Doherty 評估板上的BLF888E 射頻功率晶體管對，該評估板在羅杰斯軟板材料的微帶中實現(xiàn)。圖像和晶體管可從 Ampleon 獲得。這是一件真正的藝術(shù)品，為什么你認(rèn)為RF電路板被稱為藝術(shù)品？在這種情況下，晶體管具有相同的尺寸并在同一點偏置。Doherty 動作是由于輸入上的功率分配器不相等。它是通過威爾金森分壓器實現(xiàn)的，其中一個輸出后跟一個波浪形的高阻抗、四分之一波長阻抗變壓器。功率比（您可以在網(wǎng)上找到）是 1:1.5。在輸出端，粗線是阻抗變壓器以匹配晶體管的低阻抗輸出。上面的路徑有一個額外的四分之一波長，以使晶體管恢復(fù)同相。載波放大器在頂部，峰值放大器在底部；由于其前面的高阻抗線路，峰值放大器具有較低的輸入功率。那對放大器的峰值功率為 750 瓦！

Doherty 放大器的優(yōu)缺點

在考慮使用 Doherty 放大器時，有必要了解主要的優(yōu)點和缺點。

Doherty 放大器優(yōu)勢：

能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率水平。技術(shù)不像包絡(luò)跟蹤那么復(fù)雜，它也提高了射頻放大器的效率

Doherty 放大器的缺點：

很難在很寬的帶寬上保持分路器的相移，因此 Doherty 放大器只能在有限的帶寬上使用。成本高于單個放大器。設(shè)計不易進(jìn)行并獲得最佳性能。

Doherty 放大器確實有其缺點，但越來越多地用于移動電話基站和其他無線通信和通用無線電通信系統(tǒng)。在這里，Doherty 放大器能夠提供所需的改進(jìn)效率 - 蜂窩網(wǎng)絡(luò)可能會消耗大量功率，運營商試圖減少這種情況以降低成本。除此之外，放大器需要是線性的，以防止可能發(fā)生的失真和其他影響，如頻譜再生，尤其是在放大器是非線性的情況下。

參考：
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