許多現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)采用高階QAM（正交幅度調(diào)制）傳輸技術(shù)，這種技術(shù)具有高峰均功率比，并且需要線性射頻放大器。這通常導(dǎo)致最終射頻功率放大器的效率較低。

多爾蒂放大器（Doherty Amplifier）能夠在提供線性度的同時，顯著提高效率。

多爾蒂功率放大器是一種采用B類放大器配置的射頻設(shè)計，通過使用兩個放大器部分來實(shí)現(xiàn)高效率。其中一個放大器部分負(fù)責(zé)處理較低幅度的信號情況，而第二個放大器則在需要時投入使用，以滿足更高電平信號的條件，而不會進(jìn)入壓縮狀態(tài)。

通過這種方式，多爾蒂放大器能夠同時提供線性度和高效率。

多爾蒂功率放大器的發(fā)展

多爾蒂功率放大器的概念由貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的威廉·H. 多爾蒂（William H. Doherty）于1936年發(fā)明。盡管這種射頻放大器的初始設(shè)計理念誕生于真空管時代，但多爾蒂放大器滿足了高功率發(fā)射機(jī)的需求，同時仍需保持合理的功率效率水平，以降低成本、減少散熱和運(yùn)行成本。真空管耗電量巨大，因此任何效率的提升都會減少功耗，同時降低對高功率能力的需求，從而節(jié)省成本和空間。首個多爾蒂放大器的射頻電路設(shè)計使用了兩個真空管放大器，均采用B類偏置，能夠向天線提供數(shù)十千瓦的功率。多爾蒂放大器的需求

如今，多爾蒂放大器在蜂窩通信系統(tǒng)的基站發(fā)射機(jī)以及其他許多需要高功率和高效率的無線電通信系統(tǒng)的射頻電路設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。全球有數(shù)百萬個基站，效率提升帶來的成本節(jié)約非常顯著。

多爾蒂功率放大器能夠在保持線性工作模式的同時提高效率。隨著移動通信/無線通信系統(tǒng)需要降低功耗并提高整體效率以維持其環(huán)保形象，減少功耗已成為一項關(guān)鍵需求。

隨著3G、4G、5G移動通信系統(tǒng)以及其他無線電通信系統(tǒng)中使用的新調(diào)制格式的峰均功率比不斷增加，線性度成為最小化數(shù)據(jù)錯誤的關(guān)鍵。

然而，普通的線性放大器效率極低，因此需要像多爾蒂原理這樣的技術(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。

簡單來說，效率定義為輸出功率除以輸入功率，但這受到峰均功率比等多種因素的影響。

要了解峰均功率比如何影響效率，有必要研究放大器的工作方式。

當(dāng)放大器在線性模式下工作時，輸出器件必須始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出電壓在兩個極限之間波動。

在這種模式下（通常稱為A類放大），理論上可以達(dá)到的最大效率為50%，但在實(shí)際系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)的效率總是低于這一水平。電路損耗是一個原因，另一個原因是信號可能未達(dá)到射頻放大器的最大電平。

為了提高效率，可以將放大器驅(qū)動至壓縮狀態(tài)。這種方法可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。像頻率調(diào)制（FM）這樣沒有幅度成分的信號不會因此失真。唯一的信號劣化是會產(chǎn)生基波載波的額外諧波，但這些諧波可以通過射頻濾波器濾除。

然而，當(dāng)帶有幅度成分的調(diào)制信號被輸入到運(yùn)行在壓縮狀態(tài)的放大器時，會導(dǎo)致幅度失真。在極限情況下，當(dāng)放大器以完全限幅模式運(yùn)行時，所有幅度成分都會被剝離。

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成分外還包含幅度成分，因此需要線性射頻放大器。

當(dāng)峰均功率比增加時，情況會變得更糟，因?yàn)榉糯笃鞅仨毮軌蜻m應(yīng)峰值信號，同時保持線性工作狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，放大器只能在非常低的平均功率下運(yùn)行，從而降低了效率。

多爾蒂放大器基礎(chǔ)與理論

多爾蒂功率放大器能夠適應(yīng)具有較高峰均功率比的信號，同時仍保持良好的功率效率。它通過在整體射頻放大器中使用兩個放大器電路來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，以適應(yīng)不同的工作條件。

這兩個放大器電路具有不同的偏置方式并提供不同的功能。

載波放大器：

這部分多爾蒂放大器通常工作在A類或AB類，并在任何功率水平下提供增益。它主要用于處理所謂的平均幅度信號水平。

峰值放大器：

當(dāng)載波放大器接近其極限時，第二個射頻放大器（峰值放大器）開始工作。峰值放大器提供了載波放大器單獨(dú)無法提供的額外功率能力。

多爾蒂放大器工作的一個關(guān)鍵點(diǎn)是確保峰值放大器僅在需要時運(yùn)行。如果它一直運(yùn)行，則無法實(shí)現(xiàn)效率提升。目標(biāo)是讓載波放大器始終運(yùn)行，而峰值放大器在載波放大器即將進(jìn)入壓縮狀態(tài)時才開始工作。

除了放大器本身，多爾蒂放大器的射頻電路設(shè)計還需要一個射頻分配器和一個合成器。這些組件用于將功率分配到兩個放大器，然后將它們的輸出合并以提供復(fù)合輸出。分配器和合成器還需要滿足兩個電路的相位和匹配要求。

多爾蒂放大器的類型
可以設(shè)計多種不同類型的多爾蒂功率放大器：

對稱多爾蒂放大器：
這是多爾蒂放大器射頻電路設(shè)計中較為直接的方法。它在電路中使用兩個相同的射頻放大器，但其性能不如第二種類型。

非對稱多爾蒂放大器：
非對稱多爾蒂放大器是此類放大器射頻電路設(shè)計中最廣泛使用的形式。它在整體模塊中包含兩個不同的射頻放大器。在這種設(shè)計中，峰值放大器具有更高的功率能力。這意味著它可以處理信號峰值，而較低功率的放大器則更有效地處理較低信號水平。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)更好的性能。

數(shù)字多爾蒂放大器：
傳統(tǒng)上，多爾蒂放大器采用模擬技術(shù)，但不同放大器的偏置方案和相位偏移限制了帶寬和效率——多爾蒂放大器的設(shè)計具有挑戰(zhàn)性。近年來，利用數(shù)字技術(shù)對多爾蒂放大器進(jìn)行了開發(fā)。

在數(shù)字多爾蒂放大器方法中，可以使用查找表來實(shí)現(xiàn)載波放大器和峰值放大器之間的動態(tài)相位對齊。數(shù)字預(yù)失真（DPD）隨后與開環(huán)放大器一起用于峰值放大器的信號路徑。通過使用DPD，峰值放大器的幅度調(diào)制/相位調(diào)制響應(yīng)變得相對恒定。這意味著可以通過在相位滯后信號路徑的輸入端添加恒定相位偏移來相對容易地糾正兩條傳輸線路徑之間的任何相位差異問題。

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

多爾蒂放大器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
在考慮使用多爾蒂放大器時，需要了解其主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

多爾蒂放大器的優(yōu)點(diǎn)：

• 能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率水平。

• 技術(shù)不像包絡(luò)跟蹤那樣復(fù)雜，后者也能提高射頻放大器的效率。

多爾蒂放大器的缺點(diǎn)：

• 難以在寬帶寬內(nèi)保持分配器的相位偏移，因此多爾蒂放大器只能在有限的帶寬內(nèi)使用。

• 成本高于單個放大器。

• 設(shè)計不易進(jìn)行且難以獲得最佳性能。

多爾蒂放大器確實(shí)有其缺點(diǎn)，但它在移動電話基站、其他無線通信系統(tǒng)以及一般無線電通信系統(tǒng)中的使用正在增加。在這些應(yīng)用中，多爾蒂放大器能夠提供所需的更高效率——蜂窩網(wǎng)絡(luò)可能消耗大量電力，運(yùn)營商希望通過降低功耗來減少成本。此外，放大器需要保持線性以防止失真和其他效應(yīng)（如頻譜再生），尤其是在放大器非線性時。

Doherty放大器被用于許多射頻功率應(yīng)用中。盡管參考設(shè)計可能經(jīng)常被使用，但需要理解其工作原理以及射頻電路設(shè)計的挑戰(zhàn)，以便定制設(shè)計能夠滿足其要求。

Doherty放大器的設(shè)計要求所使用的兩個放大器能夠高效運(yùn)行，并且需要優(yōu)化分配、匹配組合和相位，以實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)果并提高效率。

從頭開始設(shè)計Doherty放大器的射頻電路是一個復(fù)雜的過程，需要深入了解和掌握該技術(shù)以及放大器中每個元件的性能。

Doherty放大器的工作原理

在探討Doherty放大器的射頻電路設(shè)計之前，有必要先了解射頻放大器的基本工作原理。

Doherty放大器的射頻電路設(shè)計使用了一個主放大器或載波放大器，通常偏置在AB類工作狀態(tài)。第二個有源器件通常稱為輔助放大器或峰值放大器，通常偏置在C類工作狀態(tài)。

信號進(jìn)入整個Doherty功率放大器后，會被送到一個分配器。分配器生成兩個相位相差90°的信號。這樣設(shè)計的原因是使用電感分配器可以減少功率損耗，同時會在兩個信號之間產(chǎn)生90°的相位差。

其中一個輸出信號被送到載波放大器。該放大器設(shè)計用于處理平均功率水平附近的較低功率信號，旨在為這些功率水平提供最佳效率。

信號也會被送到峰值放大器。該放大器的偏置設(shè)計使其僅在出現(xiàn)較大峰值時開始工作，而這些峰值是載波放大器無法單獨(dú)處理的。由于峰值放大器是一個高功率放大器，在低功率水平下無法提供高效率，因此它僅在較高功率水平出現(xiàn)時工作。通過這種方式，可以在整個功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳效率。

當(dāng)信號通過射頻放大器電路后，輸出信號會使用與分配器電路相反的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合并。由于合并器也具有90°的相位偏移，這可以用來抵消輸入端的相位偏移。因此，來自兩個放大器部分的信號保持同相。

Doherty放大器的工作原理：細(xì)節(jié)

基本的Doherty放大器理論要求兩半部分之間的信號在相位上匹配，以便合并時兩個信號能夠相加，從而提供所需的輸出。

Doherty放大器輸入端的功率分配相對簡單。功率分配是通過正交分配器實(shí)現(xiàn)的：典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括Lange耦合器或分支線技術(shù)。

輸入端的工作方式類似于平衡放大器。它具有相同的特性，即如果兩個不匹配的放大器的反射系數(shù)在幅度和相位上相等，則反射系數(shù)會減小。反射波會在耦合器隔離端口的終端負(fù)載中耗散。

在射頻電路設(shè)計過程中，開發(fā)者的目標(biāo)是在預(yù)期條件下盡可能高效地提供最佳性能。然而，這些目標(biāo)無法同時實(shí)現(xiàn)，因此需要進(jìn)行顯著的權(quán)衡。

為了實(shí)現(xiàn)最佳的整體性能，必須找到一組參數(shù)和工作點(diǎn)，使設(shè)計對頻率、相位和電平變化的敏感性達(dá)到良好的平衡。這需要深入了解兩個放大器以及分配器和組合器的特性。

通常，射頻電路設(shè)計技術(shù)會使用制造商提供的參考設(shè)計，然后進(jìn)行微調(diào)。這通常使得難以針對特定應(yīng)用完全優(yōu)化設(shè)計，因?yàn)橥ǔＶ粚⒖荚O(shè)計進(jìn)行微小的改動。

可以看出，如果希望整個放大器工作良好，Doherty放大器的射頻電路設(shè)計會面臨許多有趣且具有挑戰(zhàn)性的方面：

1. 相位保持：理論上，通過不同路徑的信號在合并點(diǎn)的相位應(yīng)相同。射頻分配器會在一條路徑上引入90°的相位偏移，而在合并階段可以通過組合器的90°偏移來抵消，并在另一條路徑上添加。然而，放大器會引入相位偏移，且由于一個放大器設(shè)計用于處理低功率水平，另一個用于處理峰值，它們的特性可能不完全匹配（在非對稱情況下），這會導(dǎo)致相位不匹配。

2. 阻抗匹配：在某些設(shè)計中，確保兩個射頻放大器在工作范圍內(nèi)的阻抗得到充分保持可能會帶來問題。優(yōu)化不同的電子元件以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可能非常困難。

3. 線性度保持：研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)峰值放大器開始工作時，放大器的線性度可能會出現(xiàn)拐點(diǎn)或擾動，這會給被放大的波形帶來失真。還需要注意確保整個工作范圍內(nèi)的線性度。

4. 帶寬：通常，Doherty放大器的設(shè)計在帶寬方面受到限制。包括分配器和組合器在內(nèi)的一些電子元件的帶寬有限，超出此范圍時，它們的相位偏移會顯著變化，從而影響整個放大器設(shè)計的性能。

在大多數(shù)情況下，Doherty放大器的參考設(shè)計會被使用，通常只需要對一些電子元件的值進(jìn)行微調(diào)。這些參考設(shè)計通常針對一些最常見的最終用途提供，因此對設(shè)計的改動很少。

通常，參考射頻設(shè)計（包括PCB布局）會被整合到整體印刷電路板布局中，但會對一些電子元件的值進(jìn)行微調(diào)。盡管如此，仍需注意確保最終的射頻電路設(shè)計按預(yù)期工作。即使對印刷電路板布局的微小改動也可能對性能產(chǎn)生重大影響。

盡管Doherty放大器的射頻電路設(shè)計面臨挑戰(zhàn)，但它在蜂窩基站、其他無線通信和無線電通信應(yīng)用的最終功率輸出級等應(yīng)用中確立了穩(wěn)固的地位。

盡管設(shè)計過程存在困難，但當(dāng)射頻設(shè)計優(yōu)化后，Doherty放大器能夠在效率和其他領(lǐng)域提供顯著的性能改進(jìn)。這些優(yōu)勢在開發(fā)新的蜂窩基站、無線通信系統(tǒng)以及各種類型的無線電通信系統(tǒng)時非常有用。