CN102170269A - 功率放大装置及功放电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率放大装置及功放电路，所述功放电路采用Doherty电路结构，所述末级功放电路采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现Doherty电路结构的主(Carrier)放大器和辅助(Peak)放大器。本发明功率放大装置及功放电路提高了功率放大的效率。

Description

功率放大装置及功放电路
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及通信领域的功率放大装置及功放电路。
背景技术
面对目前日益激烈的市场竞争，基站产品的效率高低已经成为行业竞争的焦点，基站中决定效率的主要部件——功放效率的提升也成了重中之重，业界都纷纷投入进行效率提升技术的研究，目前最为广泛应用的一种成熟技术就是Doherty技术，功放厂家都已开始批量生产应用Doherty功放，如何在该技术上进一步提高效率也显得尤为重要。
Doherty技术是由W.H.Doherty于1936年发明的，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，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(这个功放也叫作Peak power amplifier)。主功放后面的90°四分之一波长线是阻抗变换，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面的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。由于主功放后面有了四分之一波长线，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，当输入信号比较小的时候，只有主功放处于工作状态；当管子的输出电压达到峰值饱和点时，理论上的效率能达到78.5％。如果这时候将激励加大一倍，那么，管子在达到峰值的一半时就出现饱和了，效率也达到最大的78.5％，此时辅助功放也开始与主放大器一起工作。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，辅助功放也达到了自己效率的最大点，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)。
由于基站系统对机顶输出功率的要求，射频功放一般增益需求都在几十dB，这样一级放大是不够的，一般都需要3-4级放大，即预推动、推动、末级。目前业界普遍采用的链路结构为：预推动采用射频小信号放大器，工作模式为CLASS A；推动和末级均采用同一类型射频功放管(目前业界采用的是LDMOS器件)，推动的工作模式为CLASS AB，末级为Doherty结构。
随着业界绿色环保理念的提出，运营商对通讯系统的效率要求近乎苛刻，即使采用了先进的Doherty技术，功放效率也仍然无法满足其日益提高的要求，因此必须在Doherty技术的基础上不断改进，来实现效率的不断提升。
传统的射频功放中Doherty结构只应用于末级，而且推动级及末级均采用同一类型功放管，这样的优点是：供电电压及偏置方式相同，因此偏置电路设计简单；由于功放管为同类型，其批量生产的离散也相对容易控制。但一个不容忽视的现状是：业界主流的LDMOS器件已经发展到第八代，其成本低廉，但性能的提升空间非常有限，已远远不能满足绿色环保要求；另外，虽然功放的效率主要由末级确定，末级贡献了90％的工作电流，进一步提升效率意义重大，但推动级的10％也越发不可忽视，因此也需要在推动级进行电路改进。
从目前通讯系统不同制式的信号功率谱分布来看，功放输出的70％-80％的能量集中在平均功率附近，也就是说，采用Doherty技术的末级功放工作电流大部分由Carrier放大器贡献，因此，将末级的Carrier放大器的效率提高对整个功放的效率提升意义重大。同时，在推动级部分也进一步提升效率，也能更好地实现整个功放的效率提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种功率放大装置及功放电路，以解决功放效率无法满足要求的问题。
为解决以上技术问题，本发明提供了一种功率放大装置，该装置包括一个或多个串联的推动级功放电路以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路，所述推动级功放电路和末级功放电路均采用Doherty电路结构，所述推动级功放电路均采用横向扩散金属氧化物半导体场效应管(LDMOS)功放管实现Doherty电路结构的主(Carrier)放大器和辅助(Peak)放大器，所述末级功放电路采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现Doherty电路结构的主(Carrier)放大器和辅助(Peak)放大器。
为解决以上技术问题，本发明提供了另一种功率放大装置，该装置包括一个或多个串联的推动级功放电路以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路，所述推动级功放电路和末级功放电路均采用Doherty电路结构，所述推动级功放电路和末级功放电路采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现Doherty电路结构的主(Carrier)放大器和辅助(Peak)放大器。
为解决以上技术问题，本发明还提供了一种功率放大装置的功放电路，所述功放电路采用Doherty电路结构，所述末级功放电路采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现Doherty电路结构的主(Carrier)放大器和辅助(Peak)放大器。
进一步地，所述功放电路是所述功率放大装置的推动级或末级。
为解决以上技术问题，本发明提供了另一种功率放大装置的功放电路，所述功放电路包括：
功率分配子电路；
与所述功率分配子电路输出端连接的主放大器，所述主放大器采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现；
至少一个与所述功率分配子电路输出端连接的辅助放大器，所述辅助放大器采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现；
以及与所述主放大器、辅助放大器的输出端连接的功率合成子电路。
本发明功率放大装置及功放电路采用Doherty技术，并给出了Carrier放大器和Peak放大器的全新组合，相比于现有技术，提升了功率放大的效率。
附图说明
图1为传统的Doherty功率放大器框图；
图2为Doherty电路结构的原理框图；
图3为本发明实施例1的原理框图；
图4为本发明实施例2的原理框图；
图5为本发明实施例3的原理框图；
图6为本发明实施例4的原理框图。
具体实施方式
本发明功率放大装置在末级功放电路、推动级功放电路均采用高效率Doherty电路结构，同时对推动级放大器和末级放大器进行全新组合，采用新的组合架构来实现整个Doherty功放效率的大幅提升。
与本发明特别相关的，本发明功率放大装置包括一个或多个串联的推动级功放电路(Driver Stage Power Amplifier)，以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路(Final Stage Power Amplifier)，特别地，本发明中，该推动级功放电路采用Doherty电路结构。
具体地，如图2所示，该Doherty电路结构包括：功率分配子电路10、与所述功率分配子电路10输出端连接的一个主放大器20和至少一个辅助放大器30，以及与所述主放大器、辅助放大器的输出端连接的功率合成子电路40。
可理解地，主放大器20，也称Carrier(载波)放大器，提供主要的功率放大的功能，如持续提供功放。辅助放大器也称Carrier(载波)放大器，提供辅助的功率放大功能，比如仅在特定条件下(如达到预设峰值)工作。如图1所示，功率分配子电路10包括功率分配、90度四分之一波长线、相位补偿线等一系列功能器件，功率合成子电路40包括90度四分之一波长线、相位补偿线、阻抗变换等一系列功能器件，器件的具体类型、型号和连接关系根据具体的实现需求，进行设计、选择及匹配，本发明对此不做限定。
主放大器和辅助放大器可以采用多种类型的功放管实现，优选地，均采用横向扩散金属氧化物半导体场效应管(LDMOS，Lateral double-diffused metal-oxide semiconductor)功放管实现，或均采用采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现。
现有技术中，末级功放电路也采用如图2所示的Doherty结构电路实现，优选地，采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现主功放功能和辅助功放功能。
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。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组合。
实施例1
功率放大装置实施例1如图3所示，在该实施例1中，推动级采用两路的Doherty结构电路，且采用LDMOS功放管实现主功放功能及辅助功放功能，末级采用两路的Doherty结构电路，且采用HEMT功放管实现主功放功能和辅助功放功能。
具体地，推动级放大部分采用Doherty电路结构实现，其Carrier放大器和Peak放大器均使用LDMO S(Lateral double-diffused metal-oxide semiconductor，横向扩散金属氧化物半导体场效应管，基于Si)功放管；
在推动级采用LDMOS功放管实现的Doherty电路的同时，在末级采用HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管，基于碘化钾(GaN))功放管来实现两路Doherty电路结构。
对于末级的两路结构的Doherty(含传统的两路对称Doherty、非对称Doherty等)以及在此基础上演变的一个Carrier加一个Peak的架构，通过采用HEMT功放管来作为Carrier放大器和Peak放大器以实现效率提升。
实施例2
功率放大装置的实施例2如图4所示，在该实施例2中，推动级采用两路的Doherty结构电路，且采用LDMOS功放管实现主功放功能及辅助功放功能，末级采用两路的Doherty结构电路，且采用HEMT功放管实现主功放功能和辅助功放功能。
具体地，推动级放大部分采用Doherty电路结构实现，其Carrier放大器和Peak放大器均使用LDMOS(Lateral double-diffused metal-oxide semiconductor，横向扩散金属氧化物半导体场效应管，基于Si)功放管；
在推动级采用Doherty电路的同时在末级也采用全新组合的多路Doherty电路结构实现。
对于末级的多路结构的Doherty以及在此基础上演变的一个Carrier加多个Peak的架构，通过采用HEMT功放管来作为Carrier放大器和多个Peak放大器以实现效率提升。
实施例3
功率放大装置的实施例3如图5所示，在该实施例3与实施例1的电路结构相同，不同之处在于，推动级采用HEMT功放管实现主功放功能及辅助功放功能。
实施例4
功率放大装置的实施例4如图6所示，在该实施例4与实施例2的电路结构相同，不同之处在于，推动级采用HEMT功放管实现主功放功能及辅助功放功能。
该发明的关键点为：推动级和末级均采用了高效率的Doherty电路结构，实现效率的全面提升；同时充分利用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管效率高的优势，将其作为推动级或末级功放的Carrier和Peak放大器来提高效率，实现性能最优；并结合LDMOS功放管技术成熟度高、成本低廉、中功率器件种类齐全的优势，用其作为推动级功放的Carrier和Peak放大器，与HEMT功放管实现的末级灵活组合，最终实现性能的最大提升。
采用本发明所述方法和装置，与现有的推动级采用CLASS AB模式，末级Carrier、Peak放大器均采用LDMOS的Doherty功放相比，整个功放效率可大幅提升；
LDMOS器件发展非常成熟，中功率器件种类齐全，成本低廉。推动采用LDMOS器件+Doherty结构，既提升了效率，又保证了成本；
末级采用HEMT器件+Doherty结构，可实现功放效率的最大提升。
实现本发明功率放大装置的具体实施步骤包括：
1、根据不同的实现需求，先确定末级Carrier放大器所用的HEMT功放管型号；
2、根据不同的实现需求，对比分析确定采用的Doherty结构；
3、根据不同的实现需求，确定出末级Peak放大器所用的HEMT功放管型号；
4、根据末级增益，确定出推动级Carrier放大器所用的HEMT功放管或LDMOS功放管的型号、Peak放大器所用HEMT功放管或LDMOS功放管的型号；
5、完成末级、推动级放大管的匹配设计以及框图中的功率分配、功率合成部分的设计；
6、完成本发明所述装置的其余部分设计。
例如：
针对2.1GHz UMTS系统应用(PAR：6dB)的85W Doherty功放设计，需要用到两只功放管合计至少360W以上的饱和功率来进行末级设计。结合功放管厂家现有器件，可采用两个200W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方法实现(Carrier放大器和Peak放大器均采用200W的HEMT功放管)，其单末级功放效率约55％左右，提高近6％。
对于Doherty推动设计，由于末级至少要采用360W以上的饱和功率，目前2.1GHz的末级功放Doherty增益在16dB左右，因此，推动级可采用两个10W的LDMOS功放管来实现Doherty推动级放大部分设计，这样，比原来的CLASS AB设计，推动级效率还能提升20％左右(如：采用CLASS AB设计推动级的效率在15％，采用Doherty设计则可达到18％)。
因此，采用本发明所述的方法及装置，整个功放的效率将大幅提升。
另外，本发明还提供了一种功率放大装置的功放电路，所述功放电路采用Doherty电路结构，，采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现Doherty电路结构的主(Carrier)放大器和辅助(Peak)放大器。具体地，该功放电路可以是功率放大装置的推动级或末级，具体包括：
功率分配子电路10；
与所述功率分配子电路输出端连接的主放大器20，所述主放大器采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现；
至少一个与所述功率分配子电路输出端连接的辅助放大器30，所述辅助放大器采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现；
以及与所述主放大器、辅助放大器的输出端连接的功率合成子电路40。
综上所述，本发明的实现简单，设计及调试方便，同一技术领域的技术人员按照本说明书能够很容易地实现。在Doherty功放的工作频带范围内可使其效率指标显著提升，本装置可广泛的应用于各种Doherty功率放大器的设计中。

Claims (6)

1.一种功率放大装置，该装置包括一个或多个串联的推动级功放电路以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路，其特征在于：所述推动级功放电路和末级功放电路均采用Doherty电路结构，所述推动级功放电路均采用横向扩散金属氧化物半导体场效应管(LDMOS)功放管实现Doherty电路结构的主(Carrier)放大器和辅助(Peak)放大器，所述末级功放电路采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现Doherty电路结构的主(Carrier)放大器和辅助(Peak)放大器。
2.一种功率放大装置，该装置包括一个或多个串联的推动级功放电路以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路，其特征在于：所述推动级功放电路和末级功放电路均采用Doherty电路结构，所述推动级功放电路和末级功放电路采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现Doherty电路结构的主(Carrier)放大器和辅助(Peak)放大器。
3.一种功率放大装置的功放电路，其特征在于：所述功放电路采用Doherty电路结构，所述末级功放电路采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现Doherty电路结构的主(Carrier)放大器和辅助(Peak)放大器。
4.如权利要求3所述的功放电路，其特征在于：所述功放电路是所述功率放大装置的推动级或末级。
5.一种功率放大装置的功放电路，其特征在于，所述功放电路包括：
功率分配子电路；
与所述功率分配子电路输出端连接的主放大器，所述主放大器采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现；
至少一个与所述功率分配子电路输出端连接的辅助放大器，所述辅助放大器采用高电子迁移率晶体管(HEMT)功放管实现；
以及与所述主放大器、辅助放大器的输出端连接的功率合成子电路。
6.如权利要求5所述的功放电路，其特征在于：所述功放电路是所述功率放大装置的推动级或末级。
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