CN102158186A - 一种功率放大管以及功率放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率放大管以及功率放大方法，此所述功率放大管包括峰值功放器和主功放器，所述峰值功放器和主功放器均集成所述功率放大管所在的同一封装；所述功率放大管中峰值功放器和主功放器中的一个或多个放大器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行信号功率放大，其它放大器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件进行信号功率放大。本发明应用于Doherty放大器，采用突破性的全新功放管芯组合方式设计功率管，与现有的全部采用LDMOS的功放管芯的Doherty放大器相比，可在保证功率放大管的小体积基础上实现高效率的功率放大。

Description

一种功率放大管以及功率放大方法

技术领域

本发明涉及射频功率放大器设计技术领域，尤其涉及一种功率放大管以及功率放大方法。

背景技术

随着移动通讯业务的快速增长，对相应器件的低耗、高效、小体积的性能要求也迅速增加，基站产品的效率高低、体积大小已经成为行业竞争的焦点，基站中对决定效率的主要部件即功放器件的效率提升也成为了核心点，

射频功率放大器广泛用于各种无线发射设备中，效率和线性是功率放大器两个最重要的指标，设计线性高效率的功率放大器，是目前该领域研究的热点和难点。多赫蒂（Doherty）放大器技术是目前提高功率放大器效率中最有效和最广泛使用的技术。

Doherty技术最初应用于行波管，为广播提供大功率发射机，其架构简单易行，效率高。

传统的Doherty结构由2个功放组成：一个主功放（Carrier放大器），一个辅助功放，主功放工作在B类或者AB类，辅助功放工作在C类。两个功放不是轮流工作，而是主功放一直工作，辅助功放到设定的峰值才工作（所以辅助功放也称为峰值功放）。主功放输出端后的90度四分之一波长线起到阻抗变换的作用，目的是在辅助功放工作时，起到将主功放的视在阻抗减小的作用，保证辅助功放工作的时候和后续电路组成的有源负载阻抗变低，这样主功放输出电流就变大。由于主功放输出端后的四分之一波长线，为了使两个功放输出同相，在辅助功放前面也需要90°相移，如图1所示。

主功放工作在B类，当总的输入信号比较小时，只有主功放处于工作状态；当主功放管的输出电压达到峰值饱和点时，理论上的功放效率能达到78.5％。如果这时将激励加大一倍，那么，主功放管在达到峰值的一半时就出现饱和了，功放效率也达到最大的78.5％，此时辅助功放也开始与主功放一起工作。辅助功放的引入，使得从主功放的角度看，负载减小了，因为辅助功放对负载的作用相当于串连了一个负阻抗，所以，即使主功放的输出电压饱和恒定，但输出功率因为负载的减小却持续增大(流过负载的电流变大了)。当达到激励的峰值时，辅助功放也达到了本身效率的最大点，这样两个功放合在一起的效率就远远高于单个B类功放的效率。单个B类功放的最大效率78.5％出现在峰值处，现在78.5％的效率在峰值的一半就出现了，所以这种系统结构能达到很高的效率（每个放大器均达到最大的输出效率）。

传统的Doherty放大器由两只同一类型且独立封装的功放管来分别作为主放大器和峰值放大器组合实现，目前业界采用最多的是横向扩散金属氧化物半导体（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，简称LDMOS）功放管。采用同一类型的功放管，其供电电压及偏置方式相同，因此偏置电路设计简单；由于各功放管为同一类型，其批量生产的离散也相对容易控制。但两只独立封装的功放管设计布局面积较大，已远远不能满足小体积的要求。

针对这一现状，各功放管厂家都纷纷投入大量研究，研发出了针对Doherty技术的高效率、小体积应用的功放管，例如Freescale的双端器件，如图2所示。此类器件在一个封装中集成了两个独立的功放管（目前均为LDMOS功放管芯，可分别作为Doherty放大器的Carrier放大器和Peak放大器使用，其内部结构如图3所示），可灵活实现小体积的Doherty放大器，但由于采用的仍然是LDMOS功放管，而LDMOS器件已经发展到第八代，虽然其成本低廉，性能的提升空间却非常有限，已远远不能满足绿色环保要求。因此，如何针对Doherty应用来设计小体积且高效率的功放管是需要解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种功率放大管以及功率放大方法，在保证功率放大管的小体积基础上实现高效率的功率放大。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种功率放大管，应用于多赫蒂功放装置，所述功率放大管包括峰值功放器和主功放器，所述峰值功放器和主功放器均集成所述功率放大管所在的同一封装；所述功率放大管中峰值功放器和主功放器中的一个或多个放大器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行信号功率放大，其它放大器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件进行信号功率放大。

进一步地，上述功率放大管还可以具有以下特点：

所述功率放大管为双路结构放大管时，峰值功放器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且主功放器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，峰值功放器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件并且主功放器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件。

进一步地，上述功率放大管还可以具有以下特点：

所述功率放大管为多路结构放大管时，一个或多个峰值功放器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且其它峰值功放器以及主功放器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，主功放器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且峰值功放器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，主功放器以及一个或多个峰值功放器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且其它峰值功放器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件。

进一步地，上述功率放大管还可以具有以下特点：

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种功率放大方法，包括：将峰值功放器和主功放器集成功率放大管所在的同一封装；所述功率放大管的峰值功放器和主功放器中的一个或多个放大器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行信号功率放大，其它放大器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件进行信号功率放大。

进一步地，上述方法还可以具有以下特点：

所述功率放大管为双路结构放大管时，峰值功放器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且主功放器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，峰值功放器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件并且主功放器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件。

进一步地，上述方法还可以具有以下特点：

所述功率放大管为多路结构放大管时，一个或多个峰值功放器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且其它峰值功放器以及主功放器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，主功放器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且峰值功放器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，主功放器以及一个或多个峰值功放器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且其它峰值功放器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件。

进一步地，上述方法还可以具有以下特点：

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

进一步地，上述方法还可以具有以下特点：

根据功率放大管的功放参数选择所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件和所述横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件。

本发明应用于Doherty放大器，采用突破性的全新功放管芯组合方式设计功率管，与现有的全部采用LDMOS的功放管芯的Doherty放大器相比，可在保证功率放大管的小体积基础上实现高效率的功率放大。由于基于GaN的HEMT较LDMOS成本高5-10倍，因此本发明与功放管芯全部采用HEMT实现的功放管相比，在性能提升的同时成本也会下降。

附图说明

图1为传统的Doherty功率放大器结构图；

图2 为现有技术中独立封装的双路功放管外形图；

图3为现有技术中双路结构的功率放大管的结构示意图；

图4为本实施例中双路结构的功率放大管的结构示意图。

具体实施方式

本发明中的功率放大管，应用于多赫蒂功放装置，此功率放大管包括峰值功放器和主功放器。

峰值功放器和主功放器均集成功率放大管所在的同一封装；功率放大管中峰值功放器和主功放器中的一个或多个放大器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行信号功率放大，其它放大器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件进行信号功率放大。

实施例一中，如图4所示，功率放大管为双路结构放大管时，峰值功放器用于采用HEMT器件并且主功放器用于采用LDMOS器件，或者，峰值功放器用于采用LDMOS器件并且主功放器用于采用HEMT器件。将两路功放管芯集成到功率放大管的同一封装中，保证功率放大管体积小同时提高功放的高效率。

实施例二中，功率放大管为多路结构放大管时，一个或多个峰值功放器用于采用HEMT器件并且其它峰值功放器以及主功放器用于采用LDMOS器件，或者，主功放器用于采用HEMT器件并且峰值功放器用于采用LDMOS器件，或者，主功放器以及一个或多个峰值功放器用于采用HEMT器件并且其它峰值功放器用于采用LDMOS器件。将多路功放管芯均集成到功率放大管的同一封装中，保证功率放大管体积小同时提高功放的高效率。

HEMT器件是基于氮化镓(GaN）的器件。LDMOS器件是基于硅（Si）的器件。

本发明中功率放大方法包括：将峰值功放器和主功放器集成功率放大管所在的同一封装；功率放大管的峰值功放器和主功放器中的一个或多个放大器采用HEMT器件进行信号功率放大，其它放大器采用LDMOS器件进行信号功率放大。

实施例一中，如图4所示，功率放大管为双路结构放大管时，峰值功放器采用HEMT器件并且主功放器采用LDMOS器件，或者，峰值功放器采用LDMOS器件并且主功放器采用HEMT器件。将两路功放管芯集成到功率放大管的同一封装中，保证功率放大管体积小同时提高功放的高效率。

实施例二中，功率放大管为多路结构放大管时，一个或多个峰值功放器采用HEMT器件并且其它峰值功放器以及主功放器采用LDMOS器件，或者，主功放器采用HEMT器件并且峰值功放器采用LDMOS器件，或者，主功放器以及一个或多个峰值功放器采用HEMT器件并且其它峰值功放器采用LDMOS器件。将多路功放管芯均集成到功率放大管的同一封装中，保证功率放大管体积小同时提高功放的高效率。

HEMT器件是基于氮化镓（GaN）的器件。LDMOS器件是基于硅（Si）的器件。

本方法中，根据功率放大管的功放参数选择HEMT器件和LDMOS器件。

在进行Doherty功放设计时，根据所需的功放参数，确定所用的HEMT功放管芯型号和LDMOS的功放管芯型号；确定Doherty功放结构（两路还是多路结构），将两种管芯集到同一封装结构中并完成内匹配设计及管壳专封装，使用本Doherty功放进行信号放大。

具体实施例：

针对2.1GHz UMTS系统应用的功率为55W峰均比为6dB Doherty功放设计，需要用到两只独立封装的功放管合计至少200W以上的饱和功率。结合功放管厂家现有器件，可采用两个120W的LDMOS功放管通过对称Doherty结构实现，按照业界目前的器件水平，其单末级功放效率约52%左右；而采用基于本发明的装置实现，其单末级功放效率约57%左右，提高近10%，但PCB设计布局面积可减少近一倍。

本发明采用突破性的全新功放管芯组合方式，将HEMT管芯和LDMOS管芯集成到同一个封装中来实现小体积同时提高放大效率。具体应用时可充分利用HEMT功放管芯效率高的优势，将HEMT管芯作为Doherty放大器的主放大器来实现性能最优。同时利用LDMOS功放管芯技术成熟度高、成本低廉的优势，实现成本最优，最终实现性能、成本、体积的完美结合。本发明可广泛应用于各种Doherty放大器的设计中，使其效率指标显著提升。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

Claims (9)

1.一种功率放大管，应用于多赫蒂功放装置，所述功率放大管包括峰值功放器和主功放器，其特征在于，

所述峰值功放器和主功放器均集成所述功率放大管所在的同一封装；

所述功率放大管中峰值功放器和主功放器中的一个或多个放大器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行信号功率放大，其它放大器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件进行信号功率放大。

2.如权利要求1所述的功率放大管，其特征在于，

所述功率放大管为双路结构放大管时，峰值功放器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且主功放器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，峰值功放器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件并且主功放器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件。

3.如权利要求1所述的功率放大管，其特征在于，

所述功率放大管为多路结构放大管时，一个或多个峰值功放器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且其它峰值功放器以及主功放器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，主功放器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且峰值功放器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，主功放器以及一个或多个峰值功放器用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且其它峰值功放器用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件。

4.如权利要求1、2或3所述的功率放大管，其特征在于，

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

5.一种功率放大方法，其特征在于，

将峰值功放器和主功放器集成功率放大管所在的同一封装；所述功率放大管的峰值功放器和主功放器中的一个或多个放大器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行信号功率放大，其它放大器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件进行信号功率放大。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述功率放大管为双路结构放大管时，峰值功放器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且主功放器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，峰值功放器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件并且主功放器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述功率放大管为多路结构放大管时，一个或多个峰值功放器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且其它峰值功放器以及主功放器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，主功放器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且峰值功放器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，或者，主功放器以及一个或多个峰值功放器采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件并且其它峰值功放器采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件。

8.如权利要求5、6或7所述的方法，其特征在于，

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

9.如权利要求5、6或7所述的方法，其特征在于，

根据功率放大管的功放参数选择所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件和所述横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件。

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