4. Doherty功放分类
Doherty功率放大器的核心思想是利用有源负载调制效应，使主放大器（Carrier）在低功率回退区保持高效率，而峰值放大器（Peaking）在高功率区介入，共同向负载输送功率。然而，这一原理在工程落地时面临一个关键选择：主、峰值放大器是否采用相同规格的器件？两路合成网络采用何种拓扑？这直接衍生出对称/非对称结构以及传统/倒置Doherty两大分类维度。理解这些分类的本质差异，是进行效率优化参数设计的前提——因为不同的拓扑结构决定了偏置点、功率分配比、补偿线长度以及负载调制网络的初始设计值。
上图从两个正交维度展示了Doherty功放的分类框架。实际设计中，对称与非对称决定了功率回退深度和效率曲线形状；传统与倒置则影响带宽、相位一致性和版图布局。下面逐一展开分析。
4.1 对称与非对称Doherty：核心原理与设计权衡
核心原理
对称Doherty采用两个规格完全相同的功率管，功率分配器将输入信号等分（α=1）。在低功率区，峰值管截止，主功放单独工作；当输入功率超过回退点（通常为峰值功率的1/4，即6dB回退）后，峰值管逐渐导通，通过有源负载调制将主功放的负载阻抗从2Ropt拉回Ropt，从而维持主功放电压摆幅饱和。非对称Doherty则让峰值管功率容量大于主功放（例如峰值管为2倍功率），功率分配比α>1，使得回退范围扩展到9~12dB，更适应现代通信信号高峰均比（PAPR）的需求。
判断方法或操作流程
选择对称还是非对称结构，可依据以下流程：
- 确定信号PAPR：若PAPR≤6dB，优先对称结构；若PAPR在7~12dB，考虑非对称。
- 计算回退范围：回退量 = 10lg(1+α)²，其中α为峰值管与主功放饱和功率比的开方。例如α=2时，回退约9.5dB。
- 评估器件可用性：非对称需要不同规格的管芯，若现有器件库中无合适的大功率峰值管，则被迫采用对称结构。
- 仿真验证效率曲线：在ADS或Cadence中搭建负载调制仿真，对比两种结构在目标回退点的效率与线性度。
案例拆解：5G基站45dBm Doherty设计选型
某5G宏基站功放要求输出功率45dBm（约32W），信号PAPR为9dB，频段3.4~3.6GHz。若采用对称结构，回退6dB时输出功率为39dBm，无法覆盖9dB回退需求，效率在峰值回退点会急剧下降。改用非对称结构，选择主功放15W（LDMOS）、峰值管30W（GaN），功率分配比α=√2≈1.41，理论回退范围约8.5dB。实测在9dB回退点，漏极效率从对称结构的28%提升至42%，但代价是峰值管静态电流增大，且两路相位差需精细校准。该案例说明：非对称结构是应对高PAPR信号的必然选择，但需接受更复杂的偏置和校准流程。
常见误区与总结
误区2：忽略非对称结构对带宽的恶化。由于两路器件寄生参数差异大，合成网络的阻抗变换比更高，导致带宽通常比对称结构窄30%~50%。若系统要求大带宽（如400MHz），需谨慎权衡。
总结：对称结构适合PAPR≤6dB、带宽要求高的场景（如小基站）；非对称结构适合PAPR>8dB、效率优先的场景（如宏基站）。设计时需用负载牵引获取两管最佳阻抗，再联合仿真验证。
4.2 传统与倒置Doherty：拓扑差异与工程影响
核心原理
传统Doherty（也称经典Doherty）中，主功放输出端直接连接λ/4阻抗变换线，再与峰值管输出端在合成节点汇合；峰值管输出端通常有一段较短的补偿线。信号路径为：输入分配→主/峰值管→λ/4线（主路）→合成节点→负载。倒置Doherty（Inverted Doherty）则将λ/4线移至峰值管支路，主功放输出直接连接合成节点，峰值管输出通过λ/4线后再汇合。这种拓扑改变了负载调制网络的结构，使得主功放看到的阻抗随峰值管电流变化的方式不同，从而影响带宽和相位特性。
判断方法或操作流程
选择传统或倒置拓扑，可参考以下步骤：
- 检查版图约束：若合成节点靠近峰值管，倒置结构可缩短λ/4线长度，减少损耗。
- 分析带宽需求：倒置Doherty在宽带应用中（如5G Sub-6GHz）通常表现出更好的回退效率平坦度，因为其相位斜率更平缓。
- 评估峰值管C类偏置的稳定性：倒置结构中峰值管输出端有λ/4线，可改善C类偏置下的低频稳定性。
- 仿真对比S参数：在目标频段内比较两路合成端口的回波损耗和隔离度。
实战场景：3.5GHz宽带Doherty设计对比
某项目要求3.3~3.8GHz频段内，回退8dB效率>40%。初始采用传统Doherty，实测在3.3GHz处效率38%，3.8GHz处仅31%，带宽内波动大。分析发现，传统拓扑中主功放λ/4线在频段边缘引入较大相位偏移，导致负载调制不充分。改为倒置Doherty后，将λ/4线移至峰值管支路，主功放直接连接合成节点，相位失配减小。实测3.3GHz效率提升至43%，3.8GHz提升至39%，带宽内效率波动从7个百分点缩小至4个百分点。代价是峰值管输出匹配需重新设计，且合成节点处寄生电容影响更敏感。
常见误区与总结
总结：传统Doherty适合低频段（<2.5GHz）、窄带场景，设计资料丰富；倒置Doherty适合高频段（>3GHz）、宽带场景，能改善带宽和相位一致性。实际设计中，可先通过仿真对比两种拓扑的负载调制轨迹，再结合版图可行性做最终决策。
4.3 分类对比表与设计决策清单
| 对比维度 | 对称Doherty | 非对称Doherty | 传统Doherty | 倒置Doherty |
|---|---|---|---|---|
| 器件规格 | 主/峰值相同 | 峰值管功率大 | 与对称/非对称正交 | 与对称/非对称正交 |
| 典型回退范围 | 6dB | 9~12dB | 6dB（对称时） | 6~12dB（取决于对称性） |
| 带宽能力 | 较宽 | 较窄 | 低频段好 | 高频段好 |
| 设计复杂度 | 低 | 高（需双路匹配） | 中 | 中高（峰值管匹配敏感） |
| 效率平坦度 | 一般 | 回退区优 | 窄带内优 | 宽带内优 |
| 典型应用 | 小基站、PAPR≤6dB | 宏基站、PAPR>8dB | 2.1GHz LTE | 3.5GHz 5G NR |
- 先确定信号PAPR和频段，选择对称/非对称。
- 再根据频段和版图，选择传统/倒置拓扑。
- 用负载牵引获取两管最佳源/负载阻抗，作为匹配设计起点。
- 在仿真中调整功率分配比α和补偿线长度，观察效率曲线与回退点位置。
- 流片前进行温度、工艺角仿真，确认非对称结构的稳定性。
综上，Doherty功放的分类不是孤立的，对称/非对称与/传统/倒置可以自由组合，形成四种典型架构。设计者应根据系统指标（PAPR、带宽、输出功率）和物理约束（版图面积、器件库）进行联合决策。效率优化参数设计的第一步，就是正确选择拓扑结构——这决定了后续所有匹配网络和偏置电路的设计自由度。