CN102332875B - 一种宽带高效率Doherty功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在较宽的频率范围内，实现高效率的Doherty功率放大器。Doherty功率放大器包括功率分配单元、延时单元、信号放大单元、寄生补偿单元、功率合成单元所述信号放大单元包括主功率放大器、辅助功率放大器，功率合成单元包括阻抗逆置器、阻抗变换器；在辅助功率放大器未工作时，所述主功率放大器的负载阻抗为110至130欧姆，阻抗逆置器的特性阻抗满足阻抗逆置器的阻抗变换比为4。本发明增加主功率放大器的负载阻抗为110至130欧姆时，主功率放大器在回退3-4dB时具有高效率。增加阻抗逆置器特性阻抗，使得阻抗逆置器的阻抗变换比控制为4，从而得到满足带宽要求的高效率Doherty功率放大器。

Description

一种宽带高效率Doherty功率放大器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及无线通信技术的发射装置，尤其涉及一种宽带高效率多赫蒂(Doherty)功率放大器的结构。 

背景技术

Doherty技术在1936年由Doherty提出。Doherty技术是目前提高功率放大器效率的一种常用技术，其传统电路原理框图如图1所示，基带信号输入功率分配器10，功率分配器10利用功率分配技术将射频输入信号分解成两路功率相等且相位相等的信；延时器21和延时器22对两路信号分别进行延时处理以获得不同的相位，得到射频(RF)信号；主功率放大器(载波放大器)31和辅助功率放大器(峰值放大器)32分别对两路射频信号进行功率放大；寄生补偿器41和寄生补偿器42分别对两路功率信号进行寄生补偿处理，以补偿功放管自身存在的寄生电路，使得两线性功率放大器实现合理的放大；信号合成器50将经功率放大的两路同相信号合成一个输出信号。在无线通信领域中，现有的Doherty功率放大器结构是公知的，故在此不再对其结构的各个单元进行详细描述。 

Doherty技术通过控制两个功率放大器(主放大器和辅助放大器)在不同的功率级的导通与否来获得较高的总效率，Doherty技术实现简单，并且具有较好的宽带特性，成为最通用的效率增强技术之一。Doherty放大器的线性特征完全由载波放大器决定，峰值放大器和载波放大器要采用适当的栅极偏置来产生谐波对消改善Doherty放大器的线性特性，只有合理设计峰值放大器才能消除载波放大器的谐波。 

功率回退是实现功放线性化的常用技术，即把功率放大器的输入功率从1dB压缩点(放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增大，放大器渐渐进入饱和区，功率增益开始下降，通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点)向后回退6-8个dB，工作在远小于1dB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区。但由于载波放大器和峰值放大器偏置条件不同，因而不能同时将两个放大器匹配到最优负载，这就造成线性和功率的退化。另外由于放大器的记忆效应，要是Doherty放大器工作在宽带模式下并保持良好的线性特性会非常困难。 

在实际的使用中，Doherty功率放大器发射端的功率放大器之功率消耗占系统整体功率消耗的很大一部分。由于功率放大器的非线性特性，设计一个具有高功率效率的发射机成为很大的挑战。随着通信中信号峰值平均功率比(PAPR)的增加，以及现有的带宽要求对发射机 中的功率放大器提出了更高的要求。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在较宽的频率范围内，实现功率回退区达到高效率的Doherty功率放大器。 

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种宽带高效率Doherty功率放大器，包括功率分配单元、延时单元、信号放大单元、寄生补偿单元、功率合成单元，所述功率分配单元的输入端接收输入信号，功率分配单元的输出端与延时单元相连，延时单元与信号放大单元相连，所述信号放大单元包括主功率放大器、辅助功率放大器，所述寄生补偿单元包括第一寄生补偿器、第二寄生补偿器，所述功率合成单元包括阻抗逆置器(Impedance Inverter)、阻抗变换器；主功率放大器与第一寄生补偿器相连，辅助功率放大器与第二寄生补偿器相连，第一寄生补偿器通过阻抗逆置器与阻抗变换器的输入端相连，第二寄生补偿器与阻抗变换器的输入端直接相连，阻抗变换器的输出端输出信号至终端设备，其特征在于，在辅助功率放大器未工作时，所述主功率放大器的负载阻抗为110至130欧姆，阻抗逆置器的特性阻抗满足阻抗逆置器的阻抗变换比为4。 

具体的，阻抗逆置器的特性阻抗为(Z_M*R_L)^0.5，其中Z_M为主功率放大器的负载阻抗，R_L取值为Z_M/r，r为阻抗逆置器的阻抗变换比，r＝4。 

具体的，阻抗变换器的特性阻抗为(R_L*终端设备的特性阻抗)^0.5，R_L取值为Z_M/r。 

具体的，辅助功率放大器的负载阻抗约为((I_M+I_P)/I_P)*R_L，I_M为阻抗逆置器的输出电流，I_P为辅助功率放大器的输出电流，R_L取值为Z_M/r。 

本发明的的核心思想是首先找到主功放回退时达到高效率的负载阻抗，由此得到阻抗逆置器的负载阻抗，并且通过增加阻抗逆置器的特性阻抗将阻抗变换比降低，以此获得较宽带宽，由此需要得到适当的电源调制，通过非对称电压、非对称输入或者非对称器件的选择与优化以获得最优电源调制，从而实现宽带高效率Doherty功率放大器。本发明增加主功率放大器的负载阻抗为110至130欧姆时，主功率放大器在回退3-4dB时(Doherty功率放大器回退6-8dB，主功率放大器回退3-4dB)具有高效率。对于现有的特性阻抗为50欧姆的阻抗逆置器而言，阻抗变换比大于5，阻抗变换比越大，带宽越小，为了获得满足性能的带宽，申请人增加阻抗逆置器特性阻抗，使得阻抗逆置器的阻抗变换比控制为4，从而得到满足带宽要求的高效率Doherty功率放大器。 

本发明的有益效果是，由于增加主功放的负载阻抗获得在功率回退时具有高效率，而且通过增加阻抗逆置器特性阻抗，降低其阻抗变换比，从而延展了Doherty功率放大器的高效率工作带宽，使Doherty在较宽带的频率范围内，实现功率回退区达到高效率并且能够达到合理 的负载调制，能够宽带频率内达到线性与效率较优组合，对无线通信信号实现高效率和较高线性的放大。 

附图说明

图1是现有Doherty功率放大器结构原理框图。 

图2是本发明提供的宽带高效率Doherty功率放大器结构框图。 

图3是本发明提供的宽带高效率Doherty功率放大器结构框图中功率合成单元的具体工作框图。 

图4是本实施例提供的Doherty功率放大器在宽带频点内连续波测试效率和增益随功率变化功率曲线图。 

图5是本实施例提供的Doherty功率放大器在宽带内效率和增益随回退量的变化图。 

图6是本实施例提供的Doherty功率放大器的效率和线性及增益的宽带调制信号测试图。 

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。 

实施1 

本发明提供的宽带高效率Doherty功率放大器，如图2所示，包括： 

功率分配单元100包括功率分配器101，功率分配器101将基带输入信号分解成两路功率相等且相位相等的信号。该单元至少包括一个功率分配器101。 

射频输入信号S(t)＝a(t)cos(ωt+θ)输入功率分配器101进行功率分配处理，功率分配器101基于功率分配处理技术对射频输入信号S(t)进行同相分离，其具体分离方法与传统威尔金森功率分配方法一致，属公知技术，故在此不进行详细阐述。功率分配器101应包威尔金森功率分配器，分离后的两路射频信号分别为信号S₁(t)和S₂(t)。S₁(t)和S₂(t)即为两路同相信号： 

S₁(t)＝(A/2)cos(ωt+θ)＝S₂(t) 

其中，θ为两路信号的相位；A为输入信号S(t)的幅度。 

延时单元200，将功率分配单元输出的两路同相信号分别进行不同的延时。该单元至少包括第一延时器201和第二延时器202。 

第一延时器201和第二延时器202分别对信号S₁(t)和S₂(t)进行延时，得到射频信号X₁(t)和X₂(t)： 

X₁(t)＝(A/2)cos(ωt+θ+φ₁)； 

X₂(t)＝(A/2)cos(ωt+θ+φ₂)；其中，φ₁，φ₂为延时相位。 

信号放大单元300，至少包括两个功率放大器(可以选用B，AB，C类功率放大器)：主功放301和辅助功放302。其中主功率放大器由于偏置在AB，B的状态则在有输入功率时便开启工作，本实施例通过控制主功放301和辅助功放302(辅助功率放大器，偏置于C类)的栅极电压，则能够确定辅助功放的开启时间。主功放301和辅助功放302对两路经过演示后的信号进行功率放大，分别得到信号Y₁(t)和Y₂(t)： 

Y₁(t)＝G₁g(A/2)gcos(ωt+θ+φ₁+α₁)； 

Y₂(t)＝G₂g(A/2)gcos(ωt+θ+φ₂+α₂)； 

其中G₁、G₂分别是主功放301、辅助功放302的增益。 

寄生补偿单元400，该单元至少包括第一寄生补偿器401和第二寄生补偿器402。第一寄生补偿器401和第二寄生补偿器402，分别加在主功放301和辅助功放302之后，均为了实现Doherty功率放大器特性而起补偿寄生参数之作用。第一寄生补偿器401主要为将补偿器件内部寄生参数从而保证功率回退时达到高效率。第二寄生补偿器402则是为了补偿辅助功率放大器的寄生参数，使其在未开启时输出端呈现高阻抗，从而实现主功放的功率完全的输出到负载。信号合成单元500对信号Z₁(t)和Z₂(t)进行功率合成，得到信号C(t)：C(t)＝Z₁(t)+Z₂(t)。 

功率合成单元500，该单元由阻抗逆置器501和阻抗变换器502组成。阻抗逆置器501具有将其两端阻抗进行逆置变换的功能，对于辅助功放302未开启时，将负载阻抗从低阻变换到高阻，且呈现到主功放301的延时器401之后。使主功放301在低功率时由于高负载能够获得高效率。而在主功放301和辅助功放302均工作并且功率饱和时，阻抗逆置器501则将此时经过有源调制的阻抗进行变换。阻抗变换器502是将固定的Doherty功率放大器负载转换到标准的负载为50欧姆的终端设备(如天线)从而将射频功率信号发射到空域，此单元一般带宽较宽。 

图3是本发明实施例提供的宽带高效率Doherty功率放大器结构框图中功率合成单元500的具体工作框图。所述功率合成单元500由阻抗逆置器501和阻抗变换器502组成。这里分析时考虑功率合成单元的负载阻抗(主功放+阻抗逆置器的负载阻抗)为R_L，即阻抗变器502将R_L变换到50欧姆(图3未标出)。图3中Z_M为主功放的端口阻抗，Z_P为辅助功放的端口 阻抗，而 为阻抗逆置器501的端口阻抗。I_M为阻抗逆置器501输出电流，I_P为峰值功放输出电流。V_L为Doherty功率放大器的负载R_L两端电压依据Doherty功率放大器的基本原理可得如下公式： 

I_M＝g_{m_m}gV_{in_m}                       (1) 

I_P＝g_{m_p}g(V_{in_p}-α)                  (2) 

$Z_M=\left\{\begin{array}{c}{Z}_T^2/R_L;0\&le;V_{\mathrm{in}}\&le;\mathrm{\&alpha;}\\ Z_T^2/\left[R_{L}g(\frac{I_M}{I_P}+1)\right];\mathrm{\&alpha;}<V_{\mathrm{in}}\&le;1\end{array}\right\}---\left(3\right)$

$Z_P=\left\{\begin{array}{c}0;V_{\mathrm{in}}\&le;\mathrm{\&alpha;}\\ R_{L}g(\frac{I_M}{I_P}+1);\mathrm{\&alpha;}<V_{\mathrm{in}}\&le;1\end{array}\right\}---\left(4\right)$

公式(1)表征了主功放的输出电流I_M而公式(2)表征了辅助功放的输出电流I_P，g_{m_m}为主功放三极管的跨导，V_{in_m}为主功放的输入电压，g_{m_p}为辅助功放三极管的跨导，V_{in_p}为辅助功放三极管的输入电压，α为归一化输入电压峰值功放的开启点(例如，当要求峰值功放在输入工作电压的一半时开始工作，即归一化α为0.5)。 

公式(3)则分析了主功放端口阻抗值。公式(4)分析了辅助功放端口阻抗值。Z_T为阻抗逆置器的特性阻抗，V_in为归一化输入电压。 

为了更清楚的阐述本实施例信号处理与控制电路的工作方式，下面将参考图3进行说明。表示要达到主功率放大器301在回退3dB时具有高效率负载阻抗为Z_M为120欧姆。对于传统的特性阻抗为50欧姆的阻抗逆置器501则R_L＝(Z_T)²/Z_M＝50²/120＝20.83，此时阻抗转换比为r＝Z_M/R_L＝120/20.83＝5.8，而对于r＝4的改进结构，则设置阻抗逆置器501的特性阻抗为Z_T＝(Z_M*R_L)^0.5＝(30*120)^0.5＝60欧姆且，R_L为30欧姆，此时能够在实现高效率的同时实现宽带性能。对于主功率放大器301功率饱和时需要其负载阻抗为50欧姆，主要是为了能够单独用标准测试系统对其进行性能特征提取。因此需要阻抗逆置单元的端口阻抗 

而由有源调制知Z_M’＝(I_M+I_P)/I_M*R_L，则I_P/I_M＝1.4，此时可计算得饱和时辅助功率放大器302的负载阻抗约为Z_P’＝(I_M+I_P)/I_P*R_L＝2.4/1.4*30＝51.5欧姆。而阻抗变换器的特性阻抗为Z＝(R_L*终端设备的特性阻抗)^0.5＝(R_L*50)^0.5＝38.7。 

Doherty功率放大器中不同的晶体管与匹配网络会使得主功放301在回退3dB时具有高 效率的最优负载阻抗取值有所变化。上述Z_M为120欧姆的Doherty功率放大器中采用的是型号为BLF7G27L-75P的对称器件。 

实施2 

Doherty功率放大器的结构同实施例1。 

主功率放大器301在回退3dB时具有高效率负载阻抗为Z_M为110欧姆时，Z_M为110欧姆。对于传统50欧姆的阻抗逆置器501则R_L需为22.7，此时阻抗转换比为r＝110/22.7＝4.8，而对于r＝4的改进结构，则阻抗逆置器501的负载阻抗为55欧姆且R_L为27.5。此时能够在实现高效率的同时实现宽带性能。对于主功放301功率饱和时需要其负载为50欧姆，主要是为了能够单独用标准测试系统对其进行性能特征提取。因此需要阻抗逆置单元的端口阻抗 

而由有源调制知 

则I_P/I_M＝1.2，此时可计算得饱和时辅助功放302的阻抗约为2.2/1.2*R_L＝50.4欧姆。而阻抗变换器的特性阻抗为Z＝(R_L*50)^0.5＝37.1。 

实施例3 

Doherty功率放大器的结构同实施例1。 

主功放301在回退3dB时具有高效率负载阻抗为Z_M为130欧姆时，Z_M为130欧姆。对于传统50欧姆的阻抗逆置器501则R_L需为19.2，此时阻抗转换比为r＝130/19.2＝6.8，而对于r＝4的改进结构，则65欧姆的阻抗逆置器501且R_L为32.5。此时能够在实现高效率的同时实现宽带性能。对于主功放301功率饱和时需要其负载为50欧姆，主要是为了能够单独用标准测试系统对其进行性能特征提取。因此需要阻抗逆置单元的端口阻抗 

而由有源调制知 

则I_P/I_M＝1.6，此时可计算得饱和时辅助功放302的阻抗约为2.6/1.6*R_L＝52.8欧姆。而阻抗变换器的特性阻抗为Z＝(R_L*50)^0.5＝40.3。 

本实施例中的主功放301和辅助功放302的设计和匹配均采用宽带设计的原则，其辅助功放设计需要额外对功率进行考虑。并且第一延时器201和第二延时器202主要是为了弥补主功放301和辅助功放302由于偏置的不同而存在的延时差，以及第一寄生补偿器401和第二寄生补偿器402的延时差，以及阻抗逆置器501的延时。最终在阻抗变换器502的输入端两路功放的功率能够同相合成达到较优的功率合成。 

图4是实施1提供的宽带高效率Doherty功率放大器在宽带频点内连续波测试效率和增益随功率变化功率曲线图；图5是本发明实施例1提供的宽带高效率Doherty功率放大器在宽带内效率和增益随回退量的变化图；图6是本发明实施例1提供的宽带高效率Doherty功率放大器的效率和线性及增益的宽带调制信号测试图；测试基于罗德施瓦茨信号源和频谱仪 及相应软件测试平台，输入信号为2.25GHz～2.55GHz单音连续波信号和宽带2.25GHz～2.55GHz WCDMA测试信号。 

图4指出了实施1的增益和效率在三个频率点下用连续波测试均能表现出较平稳的效率和增益，并且在约6～7dB输出功率回退时能够保证效率大幅度提升。图5指出发明实例1的宽带高效率Doherty功率放大器采用2.25～2.55GHz连续波测试下，输出功率回退6dB、7dB、8dB时其效率和增益曲线在带内的波动，由图可观测其功率增益波动小，均能达到高效率。图6指出发明实例1的宽带高效率Doherty功率放大器采用2.25～2.55GHz宽带WCDMA信号测试下，在固定平均输出功率(Pout)为42dBm和43dBm时，其带内增益、线性度(ACLR)、效率分布情况。 

以上实施例可以看出，由于采用了本发明提出的高效率和宽带Doherty功率放大器功率合成结构，增加了主功放在回退时的效率和宽带性能，从而提高了Doherty功率放大器结构的整体效率，并且能够在宽带范围内保持Doherty功率放大器的性能。同时由于采用的线性功率放大器具有较高的线性度，因此Doherty功率放大器的整体线性度较好。依据本发明，可实现一个性能更好的高效率宽带Doherty功率放大器。 

以上参照实施例具体地展示和描述了本发明，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (5)

1.一种宽带高效率Doherty功率放大器，包括功率分配单元、延时单元、信号放大单元、寄生补偿单元、功率合成单元，所述功率分配单元的输入端接收输入信号，功率分配单元的输出端与延时单元相连，延时单元与信号放大单元相连，所述信号放大单元包括主功率放大器、辅助功率放大器，所述寄生补偿单元包括第一寄生补偿器、第二寄生补偿器，所述功率合成单元包括阻抗逆置器、阻抗变换器；主功率放大器与第一寄生补偿器相连，辅助功率放大器与第二寄生补偿器相连，第一寄生补偿器通过阻抗逆置器与阻抗变换器的输入端相连，第二寄生补偿器与阻抗变换器的输入端直接相连，阻抗变换器的输出端输出信号至终端设备，其特征在于，在辅助功率放大器未工作时，所述主功率放大器的负载阻抗为110至130欧姆，阻抗逆置器的特性阻抗满足阻抗逆置器的阻抗变换比为4；

阻抗逆置器的特性阻抗为（Z_M*R_L）^0.5，其中Z_M为主功率放大器的负载阻抗，R_L取值为Z_M/r，r为阻抗逆置器的阻抗变换比，r=4；

或者，阻抗变换器的特性阻抗为(R_L*终端设备的特性阻抗)^0.5，终端设备的特性阻抗为50欧姆。

2.如权利要求1所述一种宽带高效率Doherty功率放大器，其特征在于，辅助功率放大器的负载阻抗为((I_M+I_P)/I_P)*R_L，其中I_M为阻抗逆置器的输出电流，I_P为辅助功率放大器的输出电流，R_L取值为Z_M/r。

3.如权利要求1或2所述一种宽带高效率Doherty功率放大器，其特征在于，主功率放大器的负载阻抗为120欧姆，阻抗逆置器的特性阻抗为60欧姆，阻抗变换器的特性阻抗为38.7欧姆，辅助功率放大器的负载阻抗为51.5欧姆。

4.如权利要求1或2所述一种宽带高效率Doherty功率放大器，其特征在于，主功率放大器的负载阻抗为110欧姆，阻抗逆置器的特性阻抗为55欧姆，阻抗变换器的特性阻抗为37.1欧姆，辅助功率放大器的负载阻抗为50.4欧姆。

5.如权利要求1或2所述一种宽带高效率Doherty功率放大器，其特征在于，主功率放大器的负载阻抗为130欧姆，阻抗逆置器的特性阻抗为65欧姆，阻抗变换器的特性阻抗为40.3欧姆，辅助功率放大器的负载阻抗为52.8欧姆。

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