探究Doherty功率放大器的设计原理

射频功率放大器是无线通信发射设备中的重要组成部分。为了有效地解决功放的线性化问题，并降低成本，高效率和高线性度的功放研究变得非常关键。特别是在近几年，对WCDMA功率放大器的研究日益热门。目前国内只有少数几家公司能够生产10瓦以上的WCDMA功率放大器，因为WCDMA功率放大器对线性度的要求更高。传统的回退法生产的WCDMA功率放大器只能达到几瓦的功率，这对于基站来说远远不够，只能在一般小型直放站上使用。

功率放大器的线性度和效率是设计过程中的关键考虑因素。前馈结构是目前比较成熟且广泛应用于现代通信系统的一种结构。而数字预失真被业界认为是功率放大器线性化的方向。随着现代通信的发展，越来越多的注意力也开始关注功放的效率。Doherty方法被认为是提高功率放大器效率最有前景的结构之一。前馈与Doherty结构相结合或者数字预失真与Doherty结合的结构具有很大的研究和应用价值。

1. Doherty功率放大器设计

1.1 Doherty功率放大器原理概述

Doherty结构由两个功放组成：一个主功放和一个辅助功放，其中主功放工作在B类或AB类，而辅助功放工作在C类。这两个功放并不是交替工作，而是主功放一直处于工作状态，只有当达到设定的峰值时，辅助功放才开始工作（也称为峰值放大器）。主功放后面的90°四分之一波长线是阻抗变换器，其目的是在辅助功放工作时，降低主功放的视在阻抗，从而确保辅助功放与后续的有源负载电路合作时，负载阻抗降低，从而增加主功放的输出电流。由于在主功放后面添加了四分之一波长线，为了使两个功放输出同相信号，辅助功放前面还需要添加90°相移。

主功放工作在B类时，当输入信号较小时，只有主功放处于工作状态；当管子的输出电压达到峰值饱和点时，理论上的效率能达到78.5%。如果将激励加大一倍，那么在达到峰值的一半时管子就会出现饱和，此时效率也达到最大的78.5%。同时，辅助功放也开始与主放大器一起工作（C类，门限设置为激励信号电压的一半）。辅助功放的引入使得主功放看到的负载减小了，因为辅助功放对负载的作用相当于串联了一个负阻抗。因此，即使主功放的输出电压保持饱和不变，通过负载的电流却增大了，从而导致了功放的线性度得到改善。辅助功放通过在输出信号上添加与主功放相位相反的信号来减小非线性失真。这种组合使得Doherty结构在保持高效率的同时，具备了较好的线性度。

1.2 Doherty功率放大器设计步骤

设计Doherty功率放大器需要以下步骤：

1. 定义设计规格：确定所需的频率范围、输出功率、线性度要求和效率目标等设计参数。

2. 选择主功放器件：根据设计规格选择适合的主功放器件，通常选择B类或AB类功放器件。

3. 选择辅助功放器件：根据主功放的特性和工作要求，选择适合的C类功放器件作为辅助功放。

4. 设计匹配网络：设计适当的输入和输出匹配网络，以确保功放器件能够正常工作，并实现最佳的功率传输和负载匹配。

5. 设计阻抗变换器：设计90°四分之一波长线和90°相移网络，用于实现主功放和辅助功放之间的相位关系和负载阻抗匹配。

6. 调整偏置：根据设计要求和器件规格，调整功放的偏置电流和电压，以获得最佳的工作点。

7. 进行仿真和优化：使用合适的电磁仿真软件进行功放设计的仿真分析，并根据仿真结果进行性能优化。

8. 制作原型并测试：根据设计结果制作出实际的Doherty功率放大器原型，并进行实测和性能评估。

2. 前馈与Doherty结合的功率放大器设计

前馈是一种用于减小功放器件非线性失真的技术。它通过在输入和输出之间引入一个负反馈回路来补偿功放的非线性特性。前馈可以显著提高功放的线性度，但对效率有一定影响。

将前馈技术与Doherty结构相结合，可以在保持高效率的同时改善功放的线性度。在前馈与Doherty结合的设计中，主功放和辅助功放仍然按照Doherty结构的原理来工作，而前馈回路则用来进一步抑制非线性失真。通过优化前馈回路的参数和特性，可以实现更好的线性度和功率放大器性能。

3. 数字预失真与Doherty结合的功率放大器设计

数字预失真是一种基于数字信号处理的技术，通过对输入信号进行预处理，以补偿功放器件的非线性特性。数字预失真技术可以有效地提高功放的线性度，并且适用于各种功放结构。

将数字预失真与Doherty结构相结合，可以在保持高效率的同时进一步降低功放的非线性失真。在这种设计中，数字预失真模块用于预处理输入信号，并根据功放器件的非线性特性进行补偿。然后，经过预失真处理的信号输入到Doherty功放器件中进行放大和输出。

综上所述，Doherty功率放大器是一种既能提高功放的效率又能改善线性度的重要设计方案。通过结合前馈技术或数字预失真技术，可以进一步优化功放的性能。前馈结构可以减小功放的非线性失真，而Doherty结构则可以提高功放的效率。将这两种技术结合起来设计功率放大器可以兼顾功放的高效率和高线性度。

在前馈与Doherty结合的功率放大器设计中，前馈回路被用于补偿功放器件的非线性特性。它通过测量输入信号和输出信号之间的差异，并根据差异的大小和方向生成一个修正信号，该修正信号被注入到输入信号中以实现非线性失真的补偿。通过优化前馈回路的参数和特性，可以进一步提高功放的线性度。

同时，Doherty结构使得功放能够在辅助功放的帮助下工作在更高的效率区域。主功放负责处理低功率信号，而辅助功放在高功率信号时加入工作以提供额外的放大。通过合理设计阻抗变换器和相位补偿网络，可以实现主功放和辅助功放的协同工作，从而在保持高效率的同时改善功放的线性度。

数字预失真与Doherty结合的功率放大器设计则利用数字信号处理的优势来补偿功放的非线性特性。通过对输入信号进行预处理和补偿，数字预失真技术可以有效地降低功放的非线性失真，提高功放的线性度。将数字预失真技术与Doherty结构相结合，可以在保持高效率的同时进一步降低功放的非线性失真。

总而言之，前馈与Doherty结合或数字预失真与Doherty结合的功率放大器设计可以实现高效率和高线性度的平衡。这些设计方案需要综合考虑功放器件的特性、设计规格以及所需的线性度和效率要求，并进行适当的优化和调整，才能得到最佳的功放性能。