理想架构的非对称高回退Doherty功率放大器理论与仿真

Doherty理论—理想架构的非对称高回退Doherty功率放大器理论与仿真

参考：
三路Doherty设计
01 射频基础知识–基础概念
Switchmode RF and Microwave Power Amplifiers、

理想架构的Doherty功率放大器（等分经典款）的理论与ADS电流源仿真参考：理想架构的Doherty功率放大器理论与仿真

本文的ADS工程下载：理想架构的非对称高回退Doherty功率放大器理论与仿真

0、高回退Doherty功率放大器

在理想架构的Doherty功率放大器理论与仿真中，已经对平衡的1：1的DPA的理论进行了分析，并在ADS中使用理想的电流源对Doherty的基本原理进行仿真，并对比了传统B类和DPA架构在回退状态下的效率曲线：
我们注意到，传统1：1的DPA的回退范围是6dB的，但是对于现代的调制信号，所需要的回退范围越来越大了，对于原生的20MHz的LTE信号，其PAPR到达8、9dB也非常正常，为了使得DPA能够在更大的回退范围内取得高效率，专家们研究出来了非对称高回退Doherty架构。

1、非对称的高回退Doherty功率放大器

在理想架构的Doherty功率放大器理论与仿真已经介绍了经典的DPA的架构，其最前面有一个功率分配器，1：1分配时，我们在DPA饱和功率的四分之一处打开峰值功放，由此获得了6dB的回退范围。

但是，如果功率分配比不是1：1，而是把更多的功率分配给峰值功放，致使峰值功放提前开启，这样不就能获得更高的回退范围了吗？确实是这样的，Switchmode RF and Microwave Power Amplifiers一书中写到了功率分配比和回退范围的对应关系：

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功率分配比和回退范围的对应关系表：

功率分配比(载波:峰值)	回退范围
1:1	-6dB
1:2	-9.5dB
1:3	-12dB
1:4	-14dB

2、ADS中对非对称DPA特性仿真

2.1 非对称DPA的ADS电路图构建

使用理想的电流源进行仿真，使用相位-90来等效峰值功放的相位延迟线，此处假设功率分配比为1：2：

2.2 非对称DPA的电压电流特性

假设饱和电压为50V，载波功放的饱和电流为1A，对于1：2的非对称DPA，载波功放会在输入电流为峰值的1/3处达到饱和（为什么是三分之一处之后会给出证明），此时的输出功率为50 * 0.333 * 0.5=8.33W。而当DPA完全达到最高输出功率后，输出功率为(50* 1+50* 2)* 0.5=75W，由此可得功率比为75/8.33=9，因此回退范围为10*log(1/9)=9.5dB，和上面书中理论一致。

但是，由于分配比为1：2，在饱和时峰值功放的输出功率为载波功放的两倍，也就是其输出电流为载波功放的两倍（单管作为压控电流源）。而对于一般的设计情况，我们使用相同的晶体管来设计DPA，这样峰值功放往往会在饱和时过驱动，从而其线性度有所下降：

2.3 非对称DPA的输出阻抗特性

在理想架构的Doherty功率放大器理论与仿真中，介绍了对称DPA的输出阻抗的基本特性，载波功放的输出阻抗随着有源的负载调制从2Ropt逐渐下降到Ropt，而峰值功放的输出阻抗从无穷逐渐下降到Ropt。这是因为在对称DPA结构中，载波功放、峰值功放在饱和时完全对称，各自提供一半的功率。

但是在非对称的1：2结构中，因为峰值功放的饱和电流是载波功放饱和时的两倍，因此峰值功放的饱和输出阻抗为Ropt/2，其结果为：

2.4 非对称DPA的回退范围与效率

在非对称的1：2结构中，回退范围约为9.5，因此其在回退9.5dB时能够达到B类最佳效率78.54%：

2.5 其他分配比下的一些特性

1：3分配下12dB回退：

1：4分配下14dB回退：

3、改进的非对称高回退Doherty功率放大器

但是，由于分配比为1：2，在饱和时峰值功放的输出功率为载波功放的两倍，也就是其输出电流为载波功放的两倍（单管作为压控电流源）。而对于一般的设计情况，我们使用相同的晶体管来设计DPA，这样峰值功放往往会在饱和时过驱动，从而其线性度有所下降。因此，可以使用多峰值管的结构，例如下面的1：1：1分配的DPA结构：

上图的结构实际上的实现效果和1：2的不对称结构类似，因为同样有两倍的能量由峰值功放提供。但是由于存在两个峰值功放均摊了压力，不会进入过饱和状态，并且在1：2时能够实现9dB的回退：

如果使用更多的峰值功放，其结构也是非常类似的：

4、非对称高回退DPA推导理论