芯耀
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一、前言
在5G領(lǐng)域?qū)Ω吣茉葱实淖非笾校?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1343729.html">基站功率放大器（PA）成為關(guān)鍵焦點(diǎn)。大量小型蜂窩基站的上線加劇了對(duì)能效的需求，甚至有人認(rèn)為5G可能對(duì)電網(wǎng)造成壓力。
William·H·Doherty于1936年發(fā)明了這種放大器，最初用于大功率調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)。該技術(shù)將放大器效率從約30%大幅提升至60%以上。當(dāng)時(shí)的核心放大器件是真空管，但如今相同的原理已應(yīng)用于多種半導(dǎo)體技術(shù)（CMOS、砷化鎵、LDMOS FET和氮化鎵）。
二、變化的功率水平
無(wú)線通信信號(hào)通常具有較高的峰均功率比（PAPR），如圖1所示（注意：此圖為功率隨時(shí)間的變化，而非電壓）。如果放大器被設(shè)計(jì)為在峰值功率下高效工作（并保持良好線性度），那么它在平均功率水平下的效率會(huì)低得多。如圖所示，信號(hào)可分為兩個(gè)工作區(qū)域：低功率區(qū)和高功率區(qū)。
圖1. 無(wú)線信號(hào)通常具有較高的峰均功率比（PAPR）
Doherty放大器通過(guò)使用兩個(gè)放大器來(lái)優(yōu)化整體功率放大器（PA）的性能。載波放大器（或主放大器）處理低功率區(qū)域，而峰值放大器（或輔助放大器）處理高功率區(qū)域。這聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但實(shí)際實(shí)現(xiàn)可能具有挑戰(zhàn)性。
圖2展示了一個(gè)經(jīng)典的Doherty放大器，其包含兩條放大路徑，均由混合耦合器饋電（通常是電橋）。載波放大器始終處于工作狀態(tài)，而峰值放大器則保持空閑，除非信號(hào)進(jìn)入高功率區(qū)域，圖3是Doherty放大器的實(shí)物圖。在高功率區(qū)域，峰值放大器開(kāi)啟并提供額外的放大，以支持更高的輸出功率。該設(shè)計(jì)面臨兩個(gè)重要挑戰(zhàn)：
1）在保持時(shí)間同步的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分路和合路；
2）在適當(dāng)條件下開(kāi)啟峰值放大器，同時(shí)保持線性度。
圖2. Doherty經(jīng)典架構(gòu)示意圖
圖3. Doherty經(jīng)典架構(gòu)實(shí)物圖
許多調(diào)制技術(shù)依賴于保持幅度和相位純度，因此載波放大器和峰值放大器的協(xié)同工作保持線性至關(guān)重要。很多資料提到，載波放大器可工作于A類(lèi)、B類(lèi)或AB類(lèi)，其核心要點(diǎn)是該放大器需要線性工作。峰值放大器通常被描述為工作于C類(lèi)，這意味著該放大器僅在部分時(shí)間內(nèi)處于偏置狀態(tài)。C類(lèi)通常與非線性工作相關(guān)，可能并不適合放大所有類(lèi)型的調(diào)制信號(hào)。然而，Doherty放大器將峰值放大器作為附加器件集成，從而在輸出端保持線性度。圖4說(shuō)明工作在AB類(lèi)的主放大器主要提供平均功率輸出，工作在C類(lèi)的峰值放大器主要提供峰值功率輸出。
圖4. 分別工作在AB類(lèi)和C類(lèi)放大器輸出波形示意圖
經(jīng)典Doherty設(shè)計(jì)使用四分之一波長(zhǎng)（λ/4）傳輸線在載波放大器的輸出端實(shí)現(xiàn)阻抗反轉(zhuǎn)。該四分之一波長(zhǎng)線會(huì)引入90°相移，因此需要在峰值放大器前額外增加一條四分之一波長(zhǎng)線，以對(duì)齊兩條路徑的相位。Doherty放大器的輸出端通常還會(huì)有一條額外的四分之一波長(zhǎng)線，以實(shí)現(xiàn)與50Ω的阻抗匹配。部分設(shè)計(jì)使用集總電路元件替代傳輸線。
Doherty放大器的功率效率在峰值放大器啟動(dòng)時(shí)存在一個(gè)拐點(diǎn)（圖5）。功率效率在拐點(diǎn)以上可能略有下降，但放大器仍能保持高效。如圖所示，峰值放大器通常在低于峰值輸出功率6dB時(shí)開(kāi)啟。盡管經(jīng)典Doherty設(shè)計(jì)僅使用兩條放大路徑，但部分設(shè)計(jì)會(huì)引入額外的峰值放大器，例如3-Ways Doherty結(jié)構(gòu)，以改善高功率區(qū)域的性能。
圖5. Doherty放大器的功率效率曲線通常在峰值放大器啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)
三、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的改進(jìn)
隨著工程師不斷探索提升性能和適配特定應(yīng)用的方法，Doherty放大器的衍生設(shè)計(jì)逐漸涌現(xiàn)，例如非對(duì)稱Doherty放大器、Enhanced Dherty放大器以及三路Doherty放大器等。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)搜索可快速找到大量討論這些Doherty結(jié)構(gòu)的文章。
一種改進(jìn)的原理框圖在驅(qū)動(dòng)放大器的基帶系統(tǒng)中引入了數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)（圖6）。正交（I/Q）數(shù)據(jù)流先轉(zhuǎn)換為模擬形式，再上變頻至目標(biāo)射頻頻段。DSP模塊還為峰值放大器提供控制信號(hào)，該信號(hào)可根據(jù)信號(hào)的瞬時(shí)功率調(diào)整峰值放大器的電源電壓（或其他偏置控制）。這種方法本質(zhì)上是將包絡(luò)跟蹤技術(shù)與Doherty放大器結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能。
圖6. 基于DSP的基帶系統(tǒng)可提升Doherty放大器的性能
DSP基帶模塊還可通過(guò)應(yīng)用數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)改善信號(hào)失真。這是一種常見(jiàn)技術(shù)，通過(guò)對(duì)上游信號(hào)施加逆函數(shù)來(lái)校正放大路徑下游產(chǎn)生的失真。我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行“預(yù)失真”處理，使其在通過(guò)放大器并從輸出端輸出時(shí)失真更小，如圖7所示。
圖7. DPD系統(tǒng)的框圖展示了它如何對(duì)功率放大器進(jìn)行線性化。
圖2所示的放大器是針對(duì)特定類(lèi)型信號(hào)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代射頻放大器的典型示例。它并非適用于所有類(lèi)型信號(hào)的通用線性時(shí)不變放大器，而是針對(duì)特定無(wú)線制式（如LTE、5G、WiFi 6）優(yōu)化的產(chǎn)物。
我們通常可以用AM/AM和AM/PM曲線來(lái)評(píng)估DPD對(duì)功放輸出的校準(zhǔn)效果，其中AM/AM曲線描述的是輸出信號(hào)相對(duì)輸入信號(hào)幅度上的失真，而AM/PM曲線描述的是輸出信號(hào)相對(duì)輸入信號(hào)相位差的變化。
圖8是DPD前后AM/AM和AM/PM曲線的測(cè)試結(jié)果，從測(cè)試結(jié)果我們可以看到無(wú)論是AM/AM曲線還是AM/PM曲線，在DPD校準(zhǔn)前測(cè)試數(shù)據(jù)都很離散，但是在DPD校準(zhǔn)后，測(cè)試數(shù)據(jù)變得緊湊。
圖8. DPD系統(tǒng)對(duì)PA AM/AM和AM/PM參數(shù)的優(yōu)化。
離散的數(shù)據(jù)是因?yàn)镻A器件寄生參數(shù)（如電容、電感）和熱效應(yīng)導(dǎo)致PA的非線性響應(yīng)依賴于歷史信號(hào)值，也就是我們俗稱的記憶效應(yīng)，經(jīng)過(guò)DPD校準(zhǔn)后，記憶效應(yīng)也得到了明顯改善。
Doherty放大器是一個(gè)兼具豐富技術(shù)內(nèi)涵與有趣歷史的話題。在本文中，我們僅僅介紹了該放大器的基本工作原理。
總結(jié)Doherty放大器自發(fā)明以來(lái)，歷經(jīng)技術(shù)迭代，從最初應(yīng)用于大功率調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)，到如今在5G基站等場(chǎng)景發(fā)揮關(guān)鍵作用。其通過(guò)雙放大器協(xié)同優(yōu)化性能，雖面臨信號(hào)分路重組與線性度保持等挑戰(zhàn)，但經(jīng)典設(shè)計(jì)及衍生方案不斷涌現(xiàn)。結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如包絡(luò)跟蹤與數(shù)字預(yù)失真，進(jìn)一步提升了其性能。Doherty放大器技術(shù)內(nèi)涵豐富、歷史有趣，對(duì)其基本原理的探討為后續(xù)深入研究與優(yōu)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
