許多現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性度的同時(shí)，顯著提高效率。

多爾蒂功率放大器是一種采用B類(lèi)放大器配置的射頻設(shè)計(jì)，通過(guò)使用兩個(gè)放大器部分來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率。其中一個(gè)放大器部分負(fù)責(zé)處理較低幅度的信號(hào)情況，而第二個(gè)放大器則在需要時(shí)投入使用，以滿(mǎn)足更高電平信號(hào)的條件，而不會(huì)進(jìn)入壓縮狀態(tài)。

通過(guò)這種方式，多爾蒂放大器能夠同時(shí)提供線(xiàn)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(huà)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(jì)理念誕生于真空管時(shí)代，但多爾蒂放大器滿(mǎn)足了高功率發(fā)射機(jī)的需求，同時(shí)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(huì)減少功耗，同時(shí)降低對(duì)高功率能力的需求，從而節(jié)省成本和空間。首個(gè)多爾蒂放大器的射頻電路設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)真空管放大器，均采用B類(lèi)偏置，能夠向天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)的射頻電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。全球有數(shù)百萬(wàn)個(gè)基站，效率提升帶來(lái)的成本節(jié)約非常顯著。

多爾蒂功率放大器能夠在保持線(xiàn)性工作模式的同時(shí)提高效率。隨著移動(dòng)通信/無(wú)線(xiàn)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(xiàng)關(guān)鍵需求。

隨著3G、4G、5G移動(dòng)通信系統(tǒng)以及其他無(wú)線(xiàn)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(xiàn)性度成為最小化數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的關(guān)鍵。

然而，普通的線(xiàn)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(lái)確保無(wú)線(xiàn)電通信和無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的功率放大器保持高效。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(xiàn)性模式下工作時(shí)，輸出器件必須始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出電壓在兩個(gè)極限之間波動(dòng)。

在這種模式下（通常稱(chēng)為A類(lèi)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(gè)原因，另一個(gè)原因是信號(hào)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(dòng)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(méi)有幅度成分的信號(hào)不會(huì)因此失真。唯一的信號(hào)劣化是會(huì)產(chǎn)生基波載波的額外諧波，但這些諧波可以通過(guò)射頻濾波器濾除。

然而，當(dāng)帶有幅度成分的調(diào)制信號(hào)被輸入到運(yùn)行在壓縮狀態(tài)的放大器時(shí)，會(huì)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(shí)，所有幅度成分都會(huì)被剝離。

對(duì)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(xiàn)性射頻放大器。

當(dāng)峰均功率比增加時(shí)，情況會(huì)變得更糟，因?yàn)榉糯笃鞅仨毮軌蜻m應(yīng)峰值信號(hào)，同時(shí)保持線(xiàn)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(hào)，同時(shí)仍保持良好的功率效率。它通過(guò)在整體射頻放大器中使用兩個(gè)放大器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，以適應(yīng)不同的工作條件。

這兩個(gè)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(lèi)或AB類(lèi)，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(hào)水平。

峰值放大器：

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

多爾蒂放大器工作的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是確保峰值放大器僅在需要時(shí)運(yùn)行。如果它一直運(yùn)行，則無(wú)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(shí)才開(kāi)始工作。

除了放大器本身，多爾蒂放大器的射頻電路設(shè)計(jì)還需要一個(gè)射頻分配器和一個(gè)合成器。這些組件用于將功率分配到兩個(gè)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(mǎn)足兩個(gè)電路的相位和匹配要求。

多爾蒂放大器的類(lèi)型
可以設(shè)計(jì)多種不同類(lèi)型的多爾蒂功率放大器：

對(duì)稱(chēng)多爾蒂放大器：
這是多爾蒂放大器射頻電路設(shè)計(jì)中較為直接的方法。它在電路中使用兩個(gè)相同的射頻放大器，但其性能不如第二種類(lèi)型。

非對(duì)稱(chēng)多爾蒂放大器：
非對(duì)稱(chēng)多爾蒂放大器是此類(lèi)放大器射頻電路設(shè)計(jì)中最廣泛使用的形式。它在整體模塊中包含兩個(gè)不同的射頻放大器。在這種設(shè)計(jì)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(hào)峰值，而較低功率的放大器則更有效地處理較低信號(hào)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(jì)具有挑戰(zhàn)性。近年來(lái)，利用數(shù)字技術(shù)對(duì)多爾蒂放大器進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。

在數(shù)字多爾蒂放大器方法中，可以使用查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)載波放大器和峰值放大器之間的動(dòng)態(tài)相位對(duì)齊。數(shù)字預(yù)失真（DPD）隨后與開(kāi)環(huán)放大器一起用于峰值放大器的信號(hào)路徑。通過(guò)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(duì)恒定。這意味著可以通過(guò)在相位滯后信號(hào)路徑的輸入端添加恒定相位偏移來(lái)相對(duì)容易地糾正兩條傳輸線(xiàn)路徑之間的任何相位差異問(wèn)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(xiàn)性方法的許多問(wèn)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(shí)，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(gè)放大器。

• 設(shè)計(jì)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(dòng)電話(huà)基站、其他無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)以及一般無(wú)線(xiàn)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(yíng)商希望通過(guò)降低功耗來(lái)減少成本。此外，放大器需要保持線(xiàn)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(xiàn)性時(shí)。

Doherty放大器被用于許多射頻功率應(yīng)用中。盡管參考設(shè)計(jì)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(jì)的挑戰(zhàn)，以便定制設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足其要求。

Doherty放大器的設(shè)計(jì)要求所使用的兩個(gè)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(kāi)始設(shè)計(jì)Doherty放大器的射頻電路是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要深入了解和掌握該技術(shù)以及放大器中每個(gè)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(jì)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(jì)使用了一個(gè)主放大器或載波放大器，通常偏置在AB類(lèi)工作狀態(tài)。第二個(gè)有源器件通常稱(chēng)為輔助放大器或峰值放大器，通常偏置在C類(lèi)工作狀態(tài)。

信號(hào)進(jìn)入整個(gè)Doherty功率放大器后，會(huì)被送到一個(gè)分配器。分配器生成兩個(gè)相位相差90°的信號(hào)。這樣設(shè)計(jì)的原因是使用電感分配器可以減少功率損耗，同時(shí)會(huì)在兩個(gè)信號(hào)之間產(chǎn)生90°的相位差。

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

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

當(dāng)信號(hào)通過(guò)射頻放大器電路后，輸出信號(hào)會(huì)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(lái)抵消輸入端的相位偏移。因此，來(lái)自?xún)蓚€(gè)放大器部分的信號(hào)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(hào)在相位上匹配，以便合并時(shí)兩個(gè)信號(hào)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(duì)簡(jiǎn)單。功率分配是通過(guò)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(xiàn)技術(shù)。

輸入端的工作方式類(lèi)似于平衡放大器。它具有相同的特性，即如果兩個(gè)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(huì)減小。反射波會(huì)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(jì)過(guò)程中，開(kāi)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(wú)法同時(shí)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(jì)對(duì)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(gè)放大器以及分配器和組合器的特性。

通常，射頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)會(huì)使用制造商提供的參考設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行微調(diào)。這通常使得難以針對(duì)特定應(yīng)用完全優(yōu)化設(shè)計(jì)，因?yàn)橥ǔＶ粚?duì)參考設(shè)計(jì)進(jìn)行微小的改動(dòng)。

可以看出，如果希望整個(gè)放大器工作良好，Doherty放大器的射頻電路設(shè)計(jì)會(huì)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(guò)不同路徑的信號(hào)在合并點(diǎn)的相位應(yīng)相同。射頻分配器會(huì)在一條路徑上引入90°的相位偏移，而在合并階段可以通過(guò)組合器的90°偏移來(lái)抵消，并在另一條路徑上添加。然而，放大器會(huì)引入相位偏移，且由于一個(gè)放大器設(shè)計(jì)用于處理低功率水平，另一個(gè)用于處理峰值，它們的特性可能不完全匹配（在非對(duì)稱(chēng)情況下），這會(huì)導(dǎo)致相位不匹配。

2. 阻抗匹配：在某些設(shè)計(jì)中，確保兩個(gè)射頻放大器在工作范圍內(nèi)的阻抗得到充分保持可能會(huì)帶來(lái)問(wèn)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(xiàn)性度保持：研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)峰值放大器開(kāi)始工作時(shí)，放大器的線(xiàn)性度可能會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)或擾動(dòng)，這會(huì)給被放大的波形帶來(lái)失真。還需要注意確保整個(gè)工作范圍內(nèi)的線(xiàn)性度。

4. 帶寬：通常，Doherty放大器的設(shè)計(jì)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(shí)，它們的相位偏移會(huì)顯著變化，從而影響整個(gè)放大器設(shè)計(jì)的性能。

在大多數(shù)情況下，Doherty放大器的參考設(shè)計(jì)會(huì)被使用，通常只需要對(duì)一些電子元件的值進(jìn)行微調(diào)。這些參考設(shè)計(jì)通常針對(duì)一些最常見(jiàn)的最終用途提供，因此對(duì)設(shè)計(jì)的改動(dòng)很少。

通常，參考射頻設(shè)計(jì)（包括PCB布局）會(huì)被整合到整體印刷電路板布局中，但會(huì)對(duì)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(jì)按預(yù)期工作。即使對(duì)印刷電路板布局的微小改動(dòng)也可能對(duì)性能產(chǎn)生重大影響。

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

盡管設(shè)計(jì)過(guò)程存在困難，但當(dāng)射頻設(shè)計(jì)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(shì)在開(kāi)發(fā)新的蜂窩基站、無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)以及各種類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)時(shí)非常有用。