Doherty功率放大器检测技术详解

核心目标： 在确保Doherty功率放大器（PA）满足严苛性能指标的同时，优化其效率、线性度和稳定性。

一、 Doherty PA基础原理回顾

Doherty架构通过主功放（载波功放）与峰值功放（峰值功放）的协同工作，显著提升功率回退区域的效率：

  • 低功率状态： 主功放工作，峰值功放关闭。主功放输出阻抗经四分之一波长阻抗变换器呈现高阻，实现高效输出。
  • 高功率状态： 峰值功放开启并注入电流，调制主功放的负载阻抗（降低），使两者共同达到饱和输出功率。
  • 关键结构： 输入功率分配器、主/峰值功放、四分之一波长阻抗变换线、输出功率合成网络。
 

二、 核心检测参数与目标

  1. 效率 (Efficiency):

    • 功率附加效率 (PAE): PAE(%) = (RF输出功率 - RF输入功率) / 直流输入功率 * 100%。核心指标，尤其关注在平均功率输出（如6dB回退点）时的PAE。
    • 漏极效率 (Drain Efficiency): DE(%) = RF输出功率 / 直流输入功率 * 100%。侧重功放管本身的能量转换效率。

  2. 输出功率 (Output Power):

    • 饱和输出功率 (Psat): 增益压缩达到1dB时的输出功率。
    • 最大线性输出功率 (P1dB): 功放增益比小信号增益下降1dB时对应的输出功率点。
    • 平均输出功率 (Pavg): 特定调制信号（如OFDM）下的平均输出功率。

  3. 线性度 (Linearity):

    • 邻道泄漏比 (ACLR): 主信道功率与相邻信道内泄漏功率的比值（dBc）。反映带外频谱再生程度（如5MHz/10MHz offset）。
    • 误差向量幅度 (EVM): 测量调制信号星座点与理想位置的误差向量幅度，表征信号保真度（% or dB）。
    • 谐波失真 (Harmonic Distortion): 输出信号中二次、三次等谐波分量与基波的比值（dBc）。
    • 互调失真 (IMD): 双音或多音信号测试下产生的三阶互调分量（IM3， IMD3）或五阶互调分量（IM5， IMD5）与载波电平的比值（dBc）。

  4. 增益 (Gain) 与平坦度:

    • 小信号增益 (Small-Signal Gain): 输入功率极低、功放工作在线性区时的放大倍数（dB）。
    • 功率增益 (Power Gain): 特定输入功率下的放大倍数（dB）。
    • 增益平坦度 (Gain Flatness): 在工作频带内增益的最大波动值（dB）。

  5. 反射系数 (Reflection Coefficient) / 驻波比 (VSWR):

    • 输入端反射系数 (S11)、输出端反射系数 (S22)。反映输入/输出端口的阻抗匹配情况。
    • 电压驻波比 (VSWR)：与反射系数相关的匹配衡量指标。理想值为1:1。

  6. 稳定性 (Stability):

    • 无源稳定性： 在所有源和负载阻抗条件下（通常用史密斯圆图上的稳定性圆判定），功放不产生自激振荡的能力。
    • 有源稳定性： 在特定调制信号、输出负载变化等实际工作条件下的稳定性。需进行K系数、稳定性因子μ等计算，并通过负载牵引等测试验证。
 

三、 Doherty PA检测的特殊挑战

  1. 负载调制效应： 峰值功放的开启会动态改变主功放的负载阻抗。检测需覆盖整个功率范围内负载阻抗的变化轨迹。
  2. 双路径同步与平衡： 主路和峰值路的幅度、相位（尤其延时）平衡至关重要。任何失配都会严重劣化效率和线性度。
  3. 复杂的非线性行为： 两个功放管的非线性特性不同，且在合成点相互作用，使得整体非线性模型复杂，线性化难度大。
  4. 效率曲线凹点： 在峰值功放刚开始导通的功率点附近，效率可能出现“凹点”，需要特别关注此点的性能。
  5. 动态负载效应： 天线阻抗变化通过输出匹配网络影响功放管的负载阻抗，对Doherty结构影响尤为显著。
 

四、 关键检测技术与方法

  1. 连续波 (CW) 测试:

    • 静态特性： 固定频率下，扫描输入功率，测量输出功率、增益、效率（PAE/DE）等随输入功率变化的曲线。用于评估Psat、P1dB、增益压缩、静态效率等。
    • 负载牵引测试：
      • 目的： 核心检测方法！在特定频率和输入功率（尤其是平均功率点）下，系统地改变功放输出端负载阻抗（在史密斯圆图上扫描），测量输出功率、效率、线性度（如IMD）等参数。
      • 意义： 明确最佳负载阻抗点、评估负载阻抗变化（VSWR）对性能的影响、验证Doherty负载调制轨迹设计有效性、优化输出匹配网络。
    • 源牵引测试： 改变输入端源阻抗，评估其对功放性能（稳定性、噪声）的影响。

  2. 调制信号测试:

    • 矢量信号发生器 (VSG) + 矢量信号分析仪 (VSA): 使用标准的通信调制信号（如QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM, OFDM）测试ACLR、EVM、带内频谱平坦度等真实线性度指标。功率扫描可得到ACLR vs. Output Power， EVM vs. Output Power曲线。
    • 数字预失真 (DPD) 性能评估： 在VSG+VSA平台上实施DPD算法训练，并评估DPD实施前后的ACLR、EVM改善程度和DPD后效率提升。这是验证线性化效果的核心手段。

  3. 网络参数测试:

    • 矢量网络分析仪 (VNA):
      • 测量小信号S参数（S11, S21/S12, S22）：评估匹配、隔离、增益等。
      • 测量大信号S参数/大信号网络分析 (LSNA)：在特定输入功率下测量入射波和反射波，更精确地表征有源状态下的输入输出特性。
      • 时域反射计 (TDR)：诊断传输线路上的阻抗不连续点（如连接器故障、微带线缺陷）。

  4. 稳定性测试:

    • 无源稳定性： 利用VNA测量S参数，计算K因子、μ因子或B1因子，绘制稳定性圆图进行判定。
    • 有源稳定性：
      • 环路增益测量： 使用专用环路分析仪器或在VNA上配置特定夹具测量。
      • 负载变化测试： 在输出端连接可调负载（如阻抗调谐器），在功放工作时改变负载阻抗，观察是否有振荡现象（频谱仪监测）或性能急剧恶化。
      • 电源调制测试： 在特定工作点快速扰动电源电压，观察恢复过程。
      • 热稳定性测试： 在高温环境下长时间工作，监控性能是否漂移或出现振荡。

  5. 热成像分析：

    • 使用红外热像仪监测功放管及关键元器件在工作状态下的温度分布，识别过热点，验证散热设计，评估热可靠性。
 

五、 检测流程与实践要点

  1. 上电前检查：

    • 目视检查（焊接、元件损坏、短路/开路）。
    • 静态阻抗检查（万用表/VNA测量关键点对地电阻、供电通路阻抗）。
    • 供电电压与极性确认。

  2. 静态特性测试（CW）：

    • 固定频率，小信号S参数测试（匹配、增益）。
    • CW扫描：输入功率扫描，测量Pout, Gain, PAE, DE vs. Pin曲线，确定Psat, P1dB。
    • 负载牵引测试：在关键频率点和功率点（如平均功率点）进行，绘制等功率线、等效率线、等IMD线，验证最佳负载点。
    • 双音测试：测量IMD3, IMD5等，表征非线性。

  3. 动态特性与线性度测试（调制信号）：

    • 选择合适的调制格式（如符合5G NR/LTE/WiFi标准）。
    • 测量不同平均输出功率下的ACLR和EVM。
    • 实施DPD并评估其有效性（ACLR/EVM改善、DPD后效率提升）。

  4. 稳定性验证：

    • 计算无源稳定性因子。
    • 在VSWR不等于1:1的负载下（使用阻抗调谐器模拟天线失配），进行CW功率扫描和调制信号测试，观察是否振荡或性能急剧恶化。
    • 高温老化测试。

  5. 效率优化验证：

    • 重点关注在目标平均输出功率（通常对应6-10dB功率回退）下的PAE，并与传统AB类功放对比。
    • 通过负载牵引和相位调整优化效率凹点。

  6. 通道一致性测试：

    • 验证主功放通道和峰值功放通道的幅度和相位一致性（可使用VNA或调制域测量）。
    • 调整相位延迟线使两路在合成点达到最佳相位对齐。
 

六、 测试设备

  • 信号源： CW信号源、矢量信号发生器 (VSG)。
  • 功率计： 用于校准和精确功率测量。
  • 频谱分析仪： 测量谐波、杂散、ACLR。
  • 矢量信号分析仪 (VSA)： 解调信号，测量EVM、星座图、带内频谱。
  • 矢量网络分析仪 (VNA)： S参数测量、稳定性分析、TDR。
  • 负载牵引系统： 阻抗调谐器、功率传感器、控制软件（自动化关键）。
  • 直流电源： 提供稳定、低噪声的漏极/栅极偏置电压电流。
  • 红外热像仪： 温度分布测量。
  • 示波器： 监测时域波形、电源纹波、开关瞬态。
 

七、 典型应用场景中的检测要点

  1. 5G 宏基站/微基站：

    • 核心指标： 带宽（100MHz+）、高平均效率（PAE at 6-8dB OBO）、严苛的ACLR（如 -45dBc @ 5MHz offset）、低EVM（<3%）。
    • 检测重点： 宽带负载牵引优化效率平坦度；复杂DPD（如2D-DPD应对记忆效应）性能验证；在动态DFT-s-OFDM/CP-OFDM信号下的EVM；多载波场景下的互调。

  2. 卫星通信：

    • 核心指标： 极高可靠性、高效率、优良的线性度（低ACPR）、相位噪声要求。
    • 检测重点： 极端温度范围（-40°C ~ +85°C）性能测试；长时间老化稳定性测试；严格的线性度验证；相位噪声对通信误码率的影响评估。
 

八、 总结

Doherty功率放大器的检测是一个多维度、系统性的工程挑战，涉及效率、功率、线性度、稳定性、带宽等多重目标的平衡与验证。深刻理解其负载调制工作原理是检测的基础。负载牵引测试和调制信号测试（结合DPD评估）是其性能表征的两大支柱。严格的稳定性验证贯穿始终，确保其在各种实际工作条件下的鲁棒性。随着通信系统向更高频率、更宽带宽、更高效率持续演进，Doherty PA的检测技术也需要不断发展，以满足日益严苛的性能需求和可靠性要求。