当前我们所依赖的无线通信主要依赖于无线电,且频段大多集中在C频段以下,这使得频谱资源变得异常拥挤。为了在这样有限的资源内尽可能增加信息的传输量,信号调制方式逐渐变得更为复杂,如64QAM、256QAM等非恒包络调制方式的出现。
这种调制方式的复杂性导致信号的峰均比不断增大,当我们观察信号包络的瞬时概率分布与AB类功放瞬时效率曲线的对比图时,可以明显看到,信号在均值附近的分布概率较大,而过大或过小的信号发生概率相对较小。然而,AB类功放的效率却是随着信号功率的增加而提高的,这导致在均值附近功放的效率非常低。因此,传统的AB类功放很难满足现代通信系统对效率的高要求。
为了满足系统对效率的需求,我们需要设计更高效的功放。虽然开关类功放和谐波控制类功放理论上效率可以达到很高,但它们的线性校正却是一个巨大的挑战,同时这些功放的工作带宽有限,可靠性也存在问题。幸运的是,早在1936年,W.H.Doherty先生就发明了Doherty功放架构。这种架构的功放能够在回退工作时同时保持较高的效率和良好的线性度,这使得它在蜂窝电信系统以及其他需要高功率水平和良好效率水平的无线电通信系统的基站发射机RF电路设计中得到了广泛应用。考虑到全球有数以百万计的基站,Doherty功放带来的效率提升所节约的成本无疑是巨大的。
负载牵引原理是Doherty功放设计中的一个核心概念,它涉及到功放效率和输出功率之间的平衡。负载牵引的核心思想是通过改变功放的负载阻抗,从而优化功放的工作状态,使其在特定输出功率下达到最佳效率。在Doherty功放设计中,负载牵引的实现依赖于有源负载网络。这种网络能够根据功放的输出功率动态地调整其负载阻抗。当功放处于高输出功率状态时,负载阻抗较小,以确保足够的功率输出;而当功放处于低输出功率状态时,负载阻抗增大,使得功放能够在电压饱和状态下工作,从而提高效率。
Doherty功放由主路和辅路两路功放组成,在满功率输出时,两路功放都工作在饱和状态。但当输出功率回退到均值功率时,辅路功放逐渐关断,而主路功放的负载阻抗则通过有源负载网络的调整而变大。这种负载阻抗的变化使得主路功放在较小的电流下仍能保持较高的电压摆幅,从而确保在回退功率时仍能维持较高的效率。
在Doherty功放设计中,有源主要指的是实现负载牵引的电路元件,即功放管。在Doherty功放中,主路(Carrier路)和辅路(Peak路)的功放可以被视为等效的电流源。这种等效模型的建立,有助于我们更好地理解有源负载牵引的工作过程。当辅路(Peak路)的电流从无到有逐渐流出时,它会对主路(Carrier路)的视在阻抗进行调制。这种调制是通过辅路电流的注入来完成的,使得主路的视在阻抗随着辅路电流的变化而变化。
当辅路电流为零时,主路的视在阻抗等于负载阻抗;而当辅路电流逐渐增大时,主路的视在阻抗也会相应增大。这种有源负载牵引机制的关键在于,它能够在不同输出功率下对主路的视在阻抗进行动态调整。当功放工作在回退状态时,辅路的电流较小,主路的视在阻抗也较小,从而使得主路功放能够在较低的功率下保持较高的效率。而当功放工作在最大功率时,辅路的电流增大,主路的视在阻抗也随之增大,进一步提升了功放的效率。
此外,Doherty功放设计中还引入了阻抗变换器这一关键元件。阻抗变换器通常采用1/4波长变换线来实现,它能够在两端实现阻抗的反比关系。这意味着当主路的负载阻抗变大时,阻抗变换器的另一端阻抗会变小,反之亦然。这种特性使得Doherty功放能够在不同输出功率下实现阻抗的匹配和优化,进一步提升功放的效率。