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理想架构的高回退Doherty功率放大器理论与仿真-Multistage

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

本博客的资源下载链接：
理想Multistage高回退Doherty在ADS中的仿真（使用理想电流源）

1、Multistage高回退Doherty功率放大器拟解决的问题

理想架构的非对称高回退Doherty功率放大器理论与仿真中介绍了非对称架构来提升回退的dB数，但是对于传统非对称结构，只有一个回退峰值，效率低：

一种更加牛皮的架构是Multistage DPA架构，有多个回退点，这样回退效率要好很多，如：

2、一种1: m:n 功率分配的Multistage Doherty功率放大器

对于上图，一个存在三个效率峰值，分别在饱和、-5.1dB回退、-9.5dB回退。抛开复杂的公式推导，我们直观就需要一个载波功放和两个峰值功放。

与理想架构的非对称高回退Doherty功率放大器理论与仿真中多峰值功放同时开启不同，1: m:n 的Multistage Doherty功率放大器的峰值功放在不同回退点依次开启，对于上图就是-9.5dB回退、-5.1dB回退分别开启。当然，你有越多的峰值功放依次开启，你的回退点越多，效率也越高，如图：

而且，此处强调了功率分配比，与理想架构的非对称高回退Doherty功率放大器理论与仿真类似，分配越不均，就可以造成越大的回退。

2.1、1：2：2 三路Multistage Doherty PA 的ADS原理图

废话少说，我们先看看ADS中对1：2：2的Multistage DPA的仿真原理图：

2.2、1：2：2 三路Multistage Doherty PA 回退性能

可以看到有两个回退峰值，分别在-9.5dB、-4.5dB左右：

2.3、1：2：2 三路Multistage Doherty PA电压电流曲线

由于分配比是1：2：2，因此峰值功放的饱和输出功率是载波功放的两倍；此外，在-9.5dB回退点，只有载波功放工作，两个峰值功放均未开启；在-9.5dB回退点到-4.5dB回退点之间，峰值功放1开始工作，并和载波功放进行负载调制；在-4.5dB到饱和之间，峰值功放2开始工作，并和峰值功放1进行负载调制，此时载波功放不参与负载调制了，载波功放输出功率不变。在饱和点，三个功放都是饱和输出：

2.4、1：2：2 三路Multistage Doherty PA阻抗调制曲线

可以看到，在峰值功放2开启后，载波功放输出阻抗保持Ropt不变，一直饱和输出；此阶段峰值功放2和峰值功放1进行负载调制：

2.5、其他分配比的曲线

1:2:2.5 (最高回退-9.5dB左右):

1:2.5:2.5 (最高回退11dB左右):

3、传统Multistage DPA改进—Novel三路Doherty

3.1、Novel三路Doherty的工作原理

Novel三路优势：同样的分配比该架构的回退范围更大。

这是个专利：3-WAY DOHERTY AMPLIFIER WITH MINIMUM OUTPUT NETWORK

Novel型三路Doherty的Carrier路放大器能够在Peak2导通后继续负载调制，弥补了传统三路的不足。对比传统三路Doherty，Novel三路的Carrier路与负载之间使用了一个阻抗变换器。Peak1和Peak2组成一个两路Doherty，并通过一个阻抗变换器连接到阻抗变换器上，为了使信号在负载处实现相位对齐，在Carrier路和Peak2路的输入端加入了90度相移。

Novel三路Doherty的三个工作阶段

1：小信号时，只有Carrier路放大器工作，阻抗变换器Zo3将Carrier的负载变换为高阻，使得Carrier路放大器电压饱和点提前，达到一个最大效率点，但没有达到最大功率；

2：信号增大到Peak1开启后，它提供电流给负载RL，使p点电压提高，通过有源负载牵引（相当于Z03后的阻抗增大，Z03前的阻抗下降）即Carrier路输出阻抗下降，于是Carrier路的输出电流继续增大，即输出功率增加，信号继续增大直到Peak1达到电压饱和；形成第二个效率最大点；

3：信号大到Peak2开启后，随着Peak2贡献给q点电流的增加，使q点电压增大，从Z04后看去的阻抗增大，Z04前即Peak1输出阻抗下降，使Peak1电流增大，输出功率增大，与此同时p点电流增大，电压抬高，Z03后的等效负载抬高，Z03前即Carrier路输出阻抗下降，其电流继续增大，输出功率继续增大，继而达到功率饱和，Peak2输出阻抗下降会使电流增大，Carrier路输出功率继续增大，直到都达到电流饱和。

3.2、Novel型三路Doherty的设计步骤

1.选最大效率点
根据效率曲线的最大效率点，即第一（k1）和第二回退点（k2），可以得到各路功率分配比：
$${\mathrm{P}}_{m\_max}:{\mathrm{P}}_{p1\_max}:{\mathrm{P}}_{p2\_max}={\mathrm{k}}_2:{\mathrm{k}}_1(1-{\mathrm{k}}_2):(1-{\mathrm{k}}_1)(1-{\mathrm{k}}_2)$$
如果给出功率分配比，也可以算出效率回退点的值，如下式所示：
$${\mathrm{k}}_1=\frac{{\mathrm{P}}_{p1\_max}}{{\mathrm{P}}_{p1\_max}+{\mathrm{P}}_{p2\_max}}$$
$${\mathrm{k}}_2=\frac{{\mathrm{P}}_{\text{m}\_\max }}{{\mathrm{P}}_{\text{m}\_\max }+{\mathrm{P}}_{\text{p}1\_\max }+{\mathrm{P}}_{\text{p}2\_\max }}$$

2.合路线特征阻抗
为了求出特性阻抗，首先选定Carrier路功放在最大功率时的负载RmL和输出端口的负载RL，根据k1和k2，Z0x可以计算
$$\begin{array}{c}{\mathrm{Z}}_{03}=\sqrt{\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{mL}}{\mathrm{R}}_{\mathrm{L}}}{{\mathrm{k}}_2}}\\ {\mathrm{Z}}_{04}=\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{mL}}}{{\mathrm{k}}_1}\left(\frac{{\mathrm{k}}_2}{1-{\mathrm{k}}_2}\right)\\ {\mathrm{Z}}_{05}={\mathrm{Z}}_{03}(\frac{{\mathrm{k}}_2}{1-{\mathrm{k}}_2}).\end{array}$$

3.Carrier负载调制驻波比
驻波比可以计算如下：
$$\mathrm{VSWR}=\frac{1}{{\mathrm{k}}_2}$$
4.相位对齐
根据设计的合路器，算出各路输出匹配电路的相位。然后在各路加入输入offset线，使得各路在最后合路点具有相同的相位，电桥的90度耦合端口按90度相位计算。

3.3、Novel型三路Doherty的ADS仿真

计算公式参考上面的：

3.4、Novel型DPA仿真结果-回退

1：2：2分配下结果如下：

Novel型三路Doherty的Carrier路放大器能够在Peak2导通后继续负载调制，弥补了传统三路的不足，因此其使用同样的分配比的话回退性能更好。

3.5、Novel型DPA仿真结果-电压电流

一直处于调制状态：

3.6、Novel型DPA仿真结果-输出阻抗