芯耀
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一、前言
在5G领域对更高能源效率的追求中，基站功率放大器（PA）成为关键焦点。大量小型蜂窝基站的上线加剧了对能效的需求，甚至有人认为5G可能对电网造成压力。
William·H·Doherty于1936年发明了这种放大器，最初用于大功率调幅广播发射机。该技术将放大器效率从约30%大幅提升至60%以上。当时的核心放大器件是真空管，但如今相同的原理已应用于多种半导体技术（CMOS、砷化镓、LDMOS FET和氮化镓）。
二、变化的功率水平
无线通信信号通常具有较高的峰均功率比（PAPR），如图1所示（注意：此图为功率随时间的变化，而非电压）。如果放大器被设计为在峰值功率下高效工作（并保持良好线性度），那么它在平均功率水平下的效率会低得多。如图所示，信号可分为两个工作区域：低功率区和高功率区。
图1. 无线信号通常具有较高的峰均功率比（PAPR）
Doherty放大器通过使用两个放大器来优化整体功率放大器（PA）的性能。载波放大器（或主放大器）处理低功率区域，而峰值放大器（或辅助放大器）处理高功率区域。这听起来简单，但实际实现可能具有挑战性。
图2展示了一个经典的Doherty放大器，其包含两条放大路径，均由混合耦合器馈电（通常是电桥）。载波放大器始终处于工作状态，而峰值放大器则保持空闲，除非信号进入高功率区域，图3是Doherty放大器的实物图。在高功率区域，峰值放大器开启并提供额外的放大，以支持更高的输出功率。该设计面临两个重要挑战：
1）在保持时间同步的同时对信号进行分路和合路；
2）在适当条件下开启峰值放大器，同时保持线性度。
图2. Doherty经典架构示意图
图3. Doherty经典架构实物图
许多调制技术依赖于保持幅度和相位纯度，因此载波放大器和峰值放大器的协同工作保持线性至关重要。很多资料提到，载波放大器可工作于A类、B类或AB类，其核心要点是该放大器需要线性工作。峰值放大器通常被描述为工作于C类，这意味着该放大器仅在部分时间内处于偏置状态。C类通常与非线性工作相关，可能并不适合放大所有类型的调制信号。然而，Doherty放大器将峰值放大器作为附加器件集成，从而在输出端保持线性度。图4说明工作在AB类的主放大器主要提供平均功率输出，工作在C类的峰值放大器主要提供峰值功率输出。
图4. 分别工作在AB类和C类放大器输出波形示意图
经典Doherty设计使用四分之一波长（λ/4）传输线在载波放大器的输出端实现阻抗反转。该四分之一波长线会引入90°相移，因此需要在峰值放大器前额外增加一条四分之一波长线，以对齐两条路径的相位。Doherty放大器的输出端通常还会有一条额外的四分之一波长线，以实现与50Ω的阻抗匹配。部分设计使用集总电路元件替代传输线。
Doherty放大器的功率效率在峰值放大器启动时存在一个拐点（图5）。功率效率在拐点以上可能略有下降，但放大器仍能保持高效。如图所示，峰值放大器通常在低于峰值输出功率6dB时开启。尽管经典Doherty设计仅使用两条放大路径，但部分设计会引入额外的峰值放大器，例如3-Ways Doherty结构，以改善高功率区域的性能。
图5. Doherty放大器的功率效率曲线通常在峰值放大器启动时出现一个拐点
三、数字信号处理（DSP）的改进
随着工程师不断探索提升性能和适配特定应用的方法，Doherty放大器的衍生设计逐渐涌现，例如非对称Doherty放大器、Enhanced Dherty放大器以及三路Doherty放大器等。通过互联网搜索可快速找到大量讨论这些Doherty结构的文章。
一种改进的原理框图在驱动放大器的基带系统中引入了数字信号处理（DSP）技术（图6）。正交（I/Q）数据流先转换为模拟形式，再上变频至目标射频频段。DSP模块还为峰值放大器提供控制信号，该信号可根据信号的瞬时功率调整峰值放大器的电源电压（或其他偏置控制）。这种方法本质上是将包络跟踪技术与Doherty放大器结合，以实现更优性能。
图6. 基于DSP的基带系统可提升Doherty放大器的性能
DSP基带模块还可通过应用数字预失真（DPD）技术改善信号失真。这是一种常见技术，通过对上游信号施加逆函数来校正放大路径下游产生的失真。我们对信号进行“预失真”处理，使其在通过放大器并从输出端输出时失真更小，如图7所示。
图7. DPD系统的框图展示了它如何对功率放大器进行线性化。
图2所示的放大器是针对特定类型信号设计的现代射频放大器的典型示例。它并非适用于所有类型信号的通用线性时不变放大器，而是针对特定无线制式（如LTE、5G、WiFi 6）优化的产物。
我们通常可以用AM/AM和AM/PM曲线来评估DPD对功放输出的校准效果，其中AM/AM曲线描述的是输出信号相对输入信号幅度上的失真，而AM/PM曲线描述的是输出信号相对输入信号相位差的变化。
图8是DPD前后AM/AM和AM/PM曲线的测试结果，从测试结果我们可以看到无论是AM/AM曲线还是AM/PM曲线，在DPD校准前测试数据都很离散，但是在DPD校准后，测试数据变得紧凑。
图8. DPD系统对PA AM/AM和AM/PM参数的优化。
离散的数据是因为PA器件寄生参数（如电容、电感）和热效应导致PA的非线性响应依赖于历史信号值，也就是我们俗称的记忆效应，经过DPD校准后，记忆效应也得到了明显改善。
Doherty放大器是一个兼具丰富技术内涵与有趣历史的话题。在本文中，我们仅仅介绍了该放大器的基本工作原理。
总结Doherty放大器自发明以来，历经技术迭代，从最初应用于大功率调幅广播发射机，到如今在5G基站等场景发挥关键作用。其通过双放大器协同优化性能，虽面临信号分路重组与线性度保持等挑战，但经典设计及衍生方案不断涌现。结合数字信号处理技术，如包络跟踪与数字预失真，进一步提升了其性能。Doherty放大器技术内涵丰富、历史有趣，对其基本原理的探讨为后续深入研究与优化应用奠定了基础。
