【文章內(nèi)容簡介】 好的性能，但是從曲線可以看出它們所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，且需一段繁瑣而難以實(shí)現(xiàn)的調(diào)試過程。憑著Doherty技術(shù)實(shí)現(xiàn)的簡單性，它是未來最有可能成為高效率功放的實(shí)現(xiàn)方案。 這章具體描述了如何運(yùn)用現(xiàn)代晶體管的Doherty來完成功放設(shè)計(jì)，并與運(yùn)用真空管的典型功放設(shè)計(jì)做比較，運(yùn)用Doherty技術(shù)的負(fù)載牽引原理通過分三個階段來解釋Doherty技術(shù)。為了更好的理解，本文所引用的數(shù)據(jù)均源于理想情況下的Doherty技術(shù)。 幾種效率改善技術(shù)的功放性能對比分析圖 Doherty功放的歷史Doherty功放的設(shè)計(jì)理念最早由貝爾實(shí)驗(yàn)室的William ，它最原始的設(shè)計(jì)是采用真空管，那時候的晶體管不像現(xiàn)代所使用的，帶有額外的柵級以控制其傳輸電導(dǎo)。第一個Doherty電路是在1936年無線工程學(xué)院的年度大會上提出的，第一個應(yīng)用于電路的晶體管是在1938年安裝于WHAS in Louisville, Kentucky的一個50kW的設(shè)備上。 采用真空管的Doherty功放電路圖 采用真空管的典型DPA當(dāng)負(fù)載電壓達(dá)到最大時，真空管也達(dá)到最高效率，但是采用真空管的功放只能在調(diào)制峰值的瞬間電壓電平達(dá)到最大，保持功放33%的平均效率。對于典型的功放而言，在大多數(shù)時間段電壓幅度都比較小，為了解決此問題，有必要開發(fā)一個能夠提供高電壓幅度的方案。問題的解決方案是通過增加輸出功率同時保持一個高恒量交變電壓從而獲得高效率。所以，首先要求交變電壓達(dá)到高電平后，隨著輸入功率的加大高電壓電平須一直保持不變，而Doherty電路成為此問題的解決方案。在Doherty所采用的電路中，其中一個真空管在電壓電平下放大載波功率從而保證高效率，另外一個管子在調(diào)制峰值時提供額外的電壓。確切地說，如果管子1提供最大電壓給負(fù)載，那么與管子1并聯(lián)的管子2將會在調(diào)制峰值時提供額外的電壓。 采用真空管的高效率DPA結(jié)構(gòu)圖，它的作用會在下文做詳細(xì)說明。 現(xiàn)代的Doherty功放最簡單的Doherty電路由主管和副管兩個管子構(gòu)成，管子的輸出通過一段四分之一波長的阻抗變換傳輸線進(jìn)行并聯(lián)。當(dāng)主管飽和時副管傳輸電流，從而減少了主管輸出端的阻抗。所以利用負(fù)載牽引原理主管在飽和時會傳輸更大的電流。由于主管已靠近最大輸入功率回退6dB的飽和區(qū)域，功放這范圍內(nèi)會保持高效率。以下章節(jié)將詳細(xì)解釋電阻牽引原理、四分之一傳輸線的作用以及Doherty功放的工作原理。 Doherty功放的結(jié)構(gòu)圖 負(fù)載牽引技術(shù)負(fù)載牽引技術(shù)是在供電時通過相位相干源來改變射頻負(fù)載的阻抗或電抗，當(dāng)射頻負(fù)載為無源器件時可不遵循此原理，以下將分析解釋Cripps所提出的觀點(diǎn)。根據(jù)電路基本理論，當(dāng)電源2不供電而電源1供電時，圖中的電阻阻值為R如果電源2開始與電源1一起供電后，電阻的電壓為：由于第二個電源給負(fù)載提供了額外電流，從電源1看去的電阻阻值將變?yōu)橥瑯拥览?，從電?看去的電阻阻值可以寫為在帶有幅度、相位單位的電流和電壓以及帶電抗、阻抗單位的器件的電路以上理論依然成立，如果I2與I1同相Z1可以變得很大，如果I2與I1反相Z1可以變得很小。如果將以上電路的電源替換為射頻功放管的輸出傳輸電導(dǎo)，負(fù)載牽引技術(shù)理論可以應(yīng)用到晶體管上。所以當(dāng)兩個晶體管并聯(lián)時，其中一個管子可以通過適當(dāng)?shù)钠珘簛砀淖儚牧硗庖粋€管子所觀察到的阻抗。這種理論可以延伸到由兩個不同管子所組合的Doherty結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境、不同偏壓的應(yīng)用當(dāng)中。 四分之一波長傳輸線，Doherty功放在主管和負(fù)載R之間需要進(jìn)行阻抗變換以進(jìn)行合理的負(fù)載調(diào)制，大部分設(shè)計(jì)方案都使用到四分之一波長傳輸線。圖 2路DPA 示意圖：展開矩陣，并受主管電流的影響，所以從整體來看線性度只跟主管的特性有關(guān)，副管在電壓下降的時刻保持主管電壓電平不變。表達(dá)式可轉(zhuǎn)換為：由I1與Ip的關(guān)系得所以得出副管放大器的峰值電壓計(jì)算公式為：前面所解釋的DPA工作原理可幫助理解四分之一波長傳輸線的作用，它能夠在主管電壓達(dá)到飽和時使主管阻抗減少，從而加大電流來保證效率不變。 特性阻抗的計(jì)算正如前面所討論的，Doherty技術(shù)理論正是為了提高放大器在更寬頻范圍內(nèi)的效率，而一般情況下只能在電壓電平的峰值其效率才能達(dá)到最大，解決這個問題的方案可通過主管的預(yù)飽和、四分之一波長傳輸線和副管來降低主管的阻抗，從而維持主管的最大電壓電平，該理論將會在下面章節(jié)做詳細(xì)的解釋。在分析Doherty功放的工作原理之前，有必要先分析四分之一波長傳輸線的特性阻抗Ztl。，從圖中可以看出主管輸出電壓Vm，在最大電壓值Vmax回退6dB的范圍內(nèi)為一定量。假設(shè)“n”代表6dB回退范圍，其值為0和1，1代表最大輸入功率，：由于將（）中的I0替換掉得：圖 DPA 電路替換掉()中的Z0得：主管輸出電壓V1可表示為：合并方程得：：替換掉電流值可得：簡化以上方程：正如前面所說的，在6dB回退范圍內(nèi)效率的提高需要保持V1不變，所以需獨(dú)立出因數(shù)n,從以上方程可以得出：為了簡化Doherty的結(jié)構(gòu)，四分之一波長傳輸線的特性阻抗需為負(fù)載阻抗的兩倍，這使主管在電流只有最大電流一半的時候依然能達(dá)到最大電壓。 工作原理Doherty的工作原理通過三個階段來做分析，即低、中、高電平，副管前面的四分之一波長變換器補(bǔ)償在主管前的阻抗變換中所引起的相位轉(zhuǎn)換。圖 DPA的結(jié)構(gòu)架構(gòu)圖 DPA的特性電流和電壓，副管A2的轉(zhuǎn)折點(diǎn)P上的工作原理前面已做了解釋。a) 第一階段低電平輸出信號（PoutP）在低電平輸入時，副管處于關(guān)閉狀態(tài)，主管接收所 有的輸入信號，同時主管也起到控制源電流的作用，副管的無限大阻抗使主管的阻抗為Ropt的兩倍，當(dāng)電流達(dá)到峰值的一半時高輸出阻抗會使主管進(jìn)入預(yù)飽和狀態(tài)，由于電壓已達(dá)到峰值，雖然管子未達(dá)到最大功率但是系統(tǒng)已工作在最大效率。 DPA工作的第一階段b) 第二階段中電平信號輸出（Pout=P）當(dāng)主管達(dá)到飽和狀態(tài)，適當(dāng)?shù)钠珘簩淖兏惫艿碾娏鏖_始工作，這時副管將控制電流源而主管控制電壓源。根據(jù)負(fù)載牽引理論，副管電流的增加將使從四分之一波長傳輸線觀察的阻抗Rout變大。四分之一波長傳輸線的特性阻抗可以表示為：因此Rout變大將使從主管看的Rin變小，從而使主管在輸出電壓未達(dá)到飽和前就已保持不變，并同時加大主管的輸出電流。輸出電流的增加也提高了輸出功率。 DPA工作的第二階段當(dāng)電壓電平接近于飽和時效率也接近到最大值，隨著輸入信號的加大，副管的輸出阻抗將一直下降，同時主管和四分之一波長傳輸線的阻抗將會加大。c) 第三階段高電平信號輸出（TPoutPmax）圖 DPA工作的第三階段隨著輸出信號的增加，負(fù)載功率將一直上升，直到副管飽和。一旦達(dá)到最大值，主管和副管的阻抗將等于四分之一波長傳輸線的阻抗Ropt，主管電流在這電平上已達(dá)到最高點(diǎn)，輸出功率也達(dá)到峰值。所以在加大輸入時，副管在一直調(diào)節(jié)負(fù)載來阻止主管進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而保持最大效率輸出。 Doherty結(jié)構(gòu)的性能Doherty功放在轉(zhuǎn)折點(diǎn)T和滿功率上會出現(xiàn)最大PAE。效率曲線在回退6dB區(qū)域中的小斜線是由于副管的低效率引起的，假設(shè)主管為B類放大器，%，兩路Doherty功放的效率見Raab[Raab00]。以上公式在計(jì)算不同輸入電壓下的效率會很有用，所以，Doherty結(jié)構(gòu)最適用于峰均比在6~10dB左右的非衡定量包絡(luò)調(diào)制系統(tǒng)。 效率曲線圖，實(shí)線—Doherty PA,虛線—典型B類PA 優(yōu)缺點(diǎn)Doherty功放的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)在過去很多文獻(xiàn)中討論過[Yang02]，以下將與其他效率改善方案做比較。比較突出的優(yōu)點(diǎn)：高效率：Doherty功放基于負(fù)載牽引技術(shù)，采用四分之一波長傳輸線傳輸，比其他如EER方案能夠做到更高的效率，在輸出功率回退6dB的區(qū)域范圍內(nèi)PAE較高時，這些放大器仍可工作在失真較低的線性區(qū)域。線性方案的實(shí)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)簡單，常見的線性方案使Doherty功放在前饋和預(yù)失真中容易實(shí)現(xiàn)。方案簡易：Doherty利用了簡單的射頻技術(shù)如負(fù)載牽引技術(shù)，而且不牽涉任何用于消除包絡(luò)，恢復(fù)包絡(luò)和跟蹤包絡(luò)的包絡(luò)牽引電路等復(fù)雜的技術(shù)。Doherty結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)如增益衰退，互調(diào)失真差和帶寬窄。帶寬窄是由四分之一波長傳輸線引起的。由于現(xiàn)代無線通訊的帶寬都很窄，這將不會成為嚴(yán)重的缺點(diǎn)；而增益衰退是由副管引起的，但衰退的增益在低功率電平時，與載波放大管的高增益相比它會顯得比較低；另外一個比較顯著的缺點(diǎn)就是由于副管的低偏壓量所引起的互調(diào)失真，有關(guān)這問題的解決方案曾有人提出[Iwam00]，運(yùn)用主管適當(dāng)