專欄文章

Doherty功率放大器架構利用負載調變(load modulation)技術，來提升功率放大器在6-dB功率退後(power back-off)操作時的效率(efficiency)，來解決5G 以OFDM為基礎的調變訊號因有高峰值對平均功率比，所帶來的效率嚴重下降問題。

5G行動通訊系統將採用以正交分頻多工(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)數位調變訊號為基礎的技術來達成高速傳輸，但是OFDM數位調變訊號具有相當高的峰值對平均功率比(PAPR)，因此對設計功率放大器的線性度帶來相當大的挑戰。加上功率放大器的線性度與效率間存在一個先天上的取捨關係，我們通常會對功率放大器的做功率退後(power back-off)操作來滿足線性度要求，但這將會使功率放大器的功率附加效率(power added efficiency, PAE)嚴重下降，因此有許多提升在Power back-off下的效率的電路技術被相繼提出，多赫帝功率放大器(Doherty power amplifier，DPA)就是其中一種相當熱門的架構。

DPA架構如圖一所示^[1]，它包含了兩路的放大器，一路是主要路徑放大器(main amplifier)，一路是輔助路徑放大器(auxiliary amplifier)。透過一90度分波器，將輸入訊號分成兩路大小相等，相位差90度的訊號給兩路放大器，經過放大後，主要路徑放大器先經過一段四分之波長的傳輸線後再跟輔助路徑放大器接在一起。最後使輸出阻抗Z_L為Z₀的一半，透過這樣的安排達到負載調變的功能。

圖一、Doherty功率放大器架構圖

圖二是DPA的等效電路圖，經由等效電路圖，我們可以推導出主要路徑和輔助路徑放大器看到的負載阻抗分別為：

而主要路徑和輔助路徑放大器的輸出電流(I_M與I_A)的關係式為：

當輸入功率小的時候，只有主路徑放大器導通，輔助路徑放大器關閉，所以α=0，此時主路徑放大器所看到的輸出阻抗是兩倍的Z₀。當輸入功率變大的時候，輔助路徑放大器也會被導通，此時α=1，主路徑與輔助路徑放大器所看到的輸出阻抗都是Z₀。透過這樣的負載調變，我們可以延伸最大功率增進效率區間，使功率放大器在功率退後操作時，也能有不錯的功率效率。

圖二、Doherty 放大器的等效電路圖

圖三為一般功率放大器與DPA的效率對功率退後操作趨勢圖。由圖中可以看到，一般功率放大器的效率隨著功率退後越多而越低。但是DPA在0 dB功率退後與6 dB功率退後點，各有一個效率峰值。因此透過DPA可以改善功率放大器在功率退後操作時效率嚴重下降的問題。因此此架構適合應用在現今5G行動通訊系統中需要高功率退後操作來滿足線性度的訊號特性。

圖三、一般功率放大器與Doherty功率放大器的效率對功率退後操作趨勢圖

雖然DPA常用在基地台的功率放大器設計中，但是因為它需要很多的被動元件配合，如輸入端的90度的功率分配器與輸出端的四分之一波長傳輸線等。這些元件的尺寸較大，因此限制了DPA在手機單晶片上的應用。但我們可以利用電感電容元件等效90度的功率分配器與四分之一波長傳輸線來縮小元件尺寸，來將DPA在單晶片上實現 ^[2]-[3]。

參考文獻

[1]   S. C. Cripps, RF Power Amplifier for Wireless Communications. Norwood, MA: Artech House, 1999.

[2]   C. Tongchoi, M. Chongcheawchamnan, A. Worapishet, “Lumped element based Doherty power amplifier topology in CMOS process,” 2003 International Symposium on Circuits and Systems, pp. 445–448, Jun. 2003.

[3]   J. Nam, J. Shin, B. Kim, “Load modulation power amplifier with lumped-element combiner for IEEE 802.11b/g WLAN applications,” Electronics Letters, vol. 42, no. 1, pp. 24-33, Jan. 2006.