射频基础知识---Doherty放大器简介

一、Doherty放大器简介

很多现代无线电通信系统采用高阶正交幅度调制（QAM）传输，这种传输方式的峰均功率比高，需要线性射频放大器。这通常会导致末级射频功率放大器的效率偏低。

Doherty放大器能够在保证线性度的同时，显著提升效率。

Doherty功率放大器是基于B类放大器拓扑的射频设计，通过两个放大单元实现高效率：一个放大单元负责处理低幅度信号；当遇到高幅度信号时，第二个放大单元会启动工作，确保信号在不进入压缩区的情况下被放大。

这样一来，Doherty放大器就能同时兼顾线性度和效率。

二、Doherty放大器功率放大器的发展历程

Doherty放大器功率放大器的拓扑概念由贝尔电话实验室的威廉·H·Doherty放大器于1936年提出。

尽管这种放大器的射频设计初始概念诞生于真空管时代，但它满足了发射机的核心需求——在输出高功率的同时，维持合理的功率效率，进而降低成本、散热压力和运行能耗。真空管本身功耗极高，因此效率的提升不仅能减少耗电量，还能降低对电源容量的要求，最终实现成本和空间的节约。

首款Doherty放大器放大器的射频电路设计采用两个真空管放大器，均工作在B类偏置状态，可向天线输出数十千瓦的功率。

三、Doherty放大器放大器的应用需求

如今，Doherty放大器放大器在蜂窝通信系统的基站发射机中得到广泛应用，同时也适用于其他需要高功率输出和高效率的无线电通信系统。全球有数百万座基站，效率提升带来的成本节约极为可观。

Doherty放大器功率放大器能够在保持线性工作模式的前提下，提升放大器效率。移动通信/无线通信系统为了符合环保要求，亟需降低功耗、提高整体效率，因此低功耗成为核心需求之一。

3G、4G、5G等移动通信系统及其他无线电通信系统采用的新型调制方式，使得信号的峰均功率比不断升高。而为了最大限度减少数据误码，放大器的线性度至关重要。

但常规线性放大器的效率极低，因此需要借助多尔蒂原理这类技术，确保无线电通信和无线通信系统中的功率放大器保持高效运行。

通俗来讲，效率的定义是输出功率与输入功率的比值，但它会受峰均功率比等多种因素影响。

要理解峰均功率比对效率的影响，需先了解放大器的工作机制：放大器工作在Linear模式时，输出器件必须始终处于导通状态，且输出电压在两个极限值之间升降变化。

这种常被称为A类的工作模式，理论最大效率仅为50%，实际系统中的效率还会更低。

电路损耗是原因之一，另一个原因是信号可能未达到射频放大器的最大工作电平。

要获得更高效率，可将放大器推入压缩区工作，这种方式能显著提升效率。调频（FM）等无幅度成分的信号不会因此失真，唯一的信号劣化是基波载波会产生额外谐波，而这些谐波可通过射频滤波器滤除。

但对于含幅度调制的信号，若输入压缩区工作的放大器，会导致幅度失真。极端情况下，放大器工作在完全限幅模式时，所有幅度成分都会被剥离。

如今的UMTS、HSPA、4G LTE、5G等数据传输系统，其射频波形除相位成分外还包含幅度成分，因此需要线性射频放大器。

峰均功率比的升高会让情况更糟：放大器需在保持线性工作的同时容纳信号峰值，这使得放大器只能工作在极低的平均功率下，进而降低效率。

四、Doherty放大器的基础原理

Doherty功率放大器能适配峰均功率比更高的信号，同时保持良好的功率效率。

其核心是在单个射频放大器整体结构中，集成两个功能不同的放大电路，以应对不同的信号条件。这两个电路偏置方式不同，承担的功能也各不相同：

1、载波放大器

作为Doherty放大器的核心部分，通常工作在A类或AB类模式，在任何功率水平下都能提供增益。它主要负责处理平均幅度的信号。

2、峰值放大器

当载波放大器的工作接近自身极限时，第二个射频放大器（峰值放大器）开始介入工作。它能提供载波放大器单独无法实现的额外功率输出能力。

Doherty放大器工作的关键之一，是让峰值放大器仅在需要时启动。如果峰值放大器一直运行，就无法实现效率提升的目标。理想状态是载波放大器持续工作，而峰值放大器在载波放大器即将进入压缩区前启动。

除放大器本身外，Doherty放大器拓扑的射频电路设计还需包含射频功分器和合成器。这两种器件负责将功率分配给两个放大器，再将它们的输出信号合成，得到最终的复合输出信号。功分器和合成器还需满足两个电路的相位匹配要求。

五、Doherty放大器的类型

Doherty功率放大器可设计为多种类型：

1、对称型Doherty放大器

射频电路设计相对简单，采用两个性能完全相同的射频放大器，但性能略逊于第二种类型。

2、非对称型Doherty放大器

此类放大器射频电路设计中应用最广泛的形式，整体模块内包含两个性能不同的射频放大器。其中峰值放大器具备更高的功率输出能力，可专门应对信号峰值，而低功率放大器则更高效地处理低幅度信号，这种设计能实现更优的整体性能，在更多功率回退的情况下，依然能得到很高的效率。

3、多路Doherty放大器基于传统Doherty原理的拓展设计，核心通过多个（多于两个）放大器单元（含载波放大器与多组峰值放大器）协同工作，适配更高峰均功率比的信号。

其射频电路仍需功分器、合成器保障功率分配与信号合成，且需满足多单元间的相位与阻抗匹配。常见为非对称架构，各组峰值放大器功率能力按需配置，分别应对不同幅度的信号峰值，载波放大器持续处理平均电平信号。

该设计进一步提升了功率效率与线性度平衡，拓宽了动态范围，在更多功率回退的情况下，依然能得到很高的效率，适配5G等新型通信系统需求，虽电路复杂度增加，但通过优化拓扑与数字预失真技术，可有效克服设计难点，是高功率射频发射系统的重要方案。

4、数字型Doherty放大器

传统Doherty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会限制带宽与效率，设计难度较大。如今已出现基于数字技术的Doherty放大器改进方案。

- 数字型Doherty放大器可通过查找表实现载波放大器与峰值放大器之间的动态相位校准，峰值放大器信号路径采用开环放大器搭配数字预失真（DPD）技术。借助DPD，峰值放大器的幅相调制响应会变得相对稳定，此时只需在相位滞后的信号路径输入端添加固定相移，就能轻松校正两条传输路径间的相位差问题。下图是数字式Doherty放大器——主放大器与辅助放大器的工作类别由数字方式控制。

- 数字型Doherty放大器目前尚未广泛应用，但该方案克服了纯线性设计的诸多弊端，能带来显著性能提升。

六、Doherty放大器的优点和缺点

在考虑使用Doherty放大器的类型放大器时，有必要了解其主要优势和劣势。

总结一下：

Doherty放大器虽存在不足，但在手机基站、其他无线通信及通用无线电通信系统中的应用日益广泛。在这些场景中，它能提供所需的效率提升——蜂窝网络耗电量巨大，运营商通过降低功耗来削减成本。此外，该放大器需保持线性，以避免失真及频谱再生等问题（尤其是放大器非线性时这类问题更易出现）。