CN102355198B

CN102355198B - 多路非对称Doherty功率放大器

Info

Publication number: CN102355198B
Application number: CN2011102181760A
Authority: CN
Inventors: 何业军; 李健锋; 章颖
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-08-01
Also published as: CN102355198A

Abstract

本发明公开了多路非对称Doherty功率放大器包括第一耦合器、第二耦合器、载波放大器、第一1/4波长阻抗变换微带传输线、第二1/4波长阻抗变换微带传输线、第一峰值放大器和第二峰值放大器；第一耦合器的第一输出端依次通过第二峰值放大器、第二1/4波长阻抗变换微带传输线与第一1/4波长阻抗变换微带传输线连接；第一耦合器的第二输出端通过第二耦合器分别与载波放大器和第一峰值放大器的输入端连接，载波放大器的输出端与第一1/4波长阻抗变换微带传输线连接；第一峰值放大器的输出端通过第二1/4波长阻抗变换微带传输线与第一1/4波长阻抗变换微带传输线连接。本发明具有集成度高、成本低、效率高、电路稳定等优点。

Description

多路非对称Doherty功率放大器

技术领域

本发明涉及通信系统中的功率放大器技术领域，特别涉及一种多路非对称Doherty功率放大器。

背景技术

射频功率放大器被广泛应用于各种无线通信发射设备中。线性功放在基站中的成本比例约占1/3，如何有效、低成本地解决功放的线性化问题显得非常重要。由于现代整个社会对节约资源和环保的要求，Doherty技术作为一种高效的功放效率提升技术，应用前景被业界看好。国内外大部分通信企业及科研单位都投入了大量的资金和人力进行Doherty技术的研究。

传统的Doherty功放结构包括对称型2路Doherty功放结构、对称型2路倒置Doherty功放结构、非对称型2路Doherty功放结构，多路Doherty功放结构。

如图1所示，对称型2路Doherty功放结构包括功分器、载波放大器、峰值放大器和3个1/4波长阻抗变换微带传输线，功分器的信号输入端用于接入需要放大的信号，其第一信号输出端通过载波放大器连接第一1/4波长阻抗变换微带传输线Z1′，第二信号输出端通过第二1/4波长阻抗变换微带传输线Z2′连接峰值放大器的信号输入端，所述第一1/4波长阻抗变换微带传输线Z1′和峰值放大器的信号输出端均通过第三1/4波长阻抗变换微带传输线Z3′连接。在该功放结构中，信号从功分器的信号输入端输入经过载波放大器和峰值放大器放大后，从第三1/4波长阻抗变换微带传输线Z3′处输出。对称型2路倒置Doherty功放结构，如图2所示，该结构是将上述对称型2路Doherty功放结构中的载波放大器和峰值放大器的位置对换，放大信号同样从第三1/4波长阻抗变换微带传输线Z3′处输出；非对称型2路Doherty功放结构，如图3所示。关于多路Doherty功放结构，如图4、图5所示，各级放大电路通过一功分器将信号分成相应的份数，每一级放大通路上均需采用一1/4波长阻抗变换微带传输线Z′，其电路结构非常复杂。

上述Doherty结构及目前各通信企业、各科研单位对Doherty功率放大器的研究普遍存在的问题主要有：1、对Doherty功率放大器技术的研究不深入，难以有效的将此类技术应用于产品设计；2、对多路非对称Doherty功率放大电路结构及其使用范围没有明确的分析和认识；3、难以确定多路非对称Doherty功率放大电路主管与峰值管各种组合方式能充分发挥性能所需的输入功率分配比；4、多路非对称Doherty功率放大器主管及各级峰值管偏置电压，必须按照一定规律设置，才能保证多路非对称Doherty功率放大器稳定工作，并充分发挥其性能，但是各通信企业、各科研单位难以找出其规律；5、多路非对称Doherty功率放大器主管及各级峰值管阻抗匹配平衡度及输出阻抗牵引相互影响的关系不清楚；6、缺乏检测手段及分析评估方法，不能有效地确定功率管参数对Doherty功率放大器性能的影响程度；7、需要基于足够数量的功率管样本的有效测试才能确定各种不同的Doherty功率放大器结构对功率管的具体性能参数要求范围；8、对器件厂家提供的功率管参数，没有有效的仿真、测试等标准化流程方案来检验厂家提供的参数，以及器件模型与实际功率管电参数的差异；9、功放电路结构复杂，其成本较高，而且稳定性不高，兼容性差，集成度低。

有鉴于此，有必要提供一种新型的高性能多路非对称Doherty功率放大器。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种多路非对称Doherty功率放大器，以解决现有功放电路结构复杂、稳定性不高、兼容性差的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种多路非对称Doherty功率放大器，其中，包括至少一第一耦合器、第二耦合器、载波放大器，至少两个峰值放大器，第一四分之一波长阻抗变换微带传输线和至少两个第二四分之一波长阻抗变换微带传输线；所述峰值放大器包括第一峰值放大器和第二峰值放大器；

所述第一耦合器的第一信号输出端与第二峰值放大器的信号输入端连接，所述第二峰值放大器的信号输出端通过第二四分之一波长阻抗变换微带传输线与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线连接；所述第一耦合器的第二信号输出端与第二耦合器的信号输入端连接；

所述第二耦合器的第一信号输出端与载波放大器的信号输入端连接，载波放大器的信号输出端与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线连接；所述第二耦合器的第二信号输出端与第一峰值放大器的信号输入端连接，第一峰值放大器的信号输出端通过一第二四分之一波长阻抗变换微带传输线与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线连接；所述第一耦合器为5dB耦合器，第二耦合器为3dB正交耦合器；

在所述载波放大器的信号输出端与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线之间、第一峰值放大器的信号输出端和该支路上的第二四分之一波长阻抗变换微带传输线之间，和/或第二峰值放大器的信号输出端和该支路上的第二四分之一波长阻抗变换微带传输线之间串联有补偿微带传输线；所述第一四分之一波长阻抗变换微带传输线为28.9Ω的阻抗变换微带传输线，第二四分之一波长阻抗变换微带传输线为50Ω的阻抗变换微带传输线。

所述的多路非对称Doherty功率放大器，其中，所述第一耦合器为n-1个，峰值放大器为n个；所述载波放大器和n个峰值放大器构成n+1级功率放大电路，其中，n为大于1的正整数数。

所述的多路非对称Doherty功率放大器，其中，第一耦合器的信号输入端与下一级功率放大电路的第一耦合器的第一信号输出端连接，下一级功率放大电路的第一耦合器的第二信号输出端与下一级峰值放大器的信号输入端连接，下一级峰值放大器的信号输出端通过第二四分之一波长阻抗变换微带传输线与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线连接。

所述的多路非对称Doherty功率放大器，其中，在所述下一级峰值放大器的信号输出端和该支路上的第二四分之一波长阻抗变换微带传输线之间串联有补偿微带传输线。

所述的多路非对称Doherty功率放大器，其中，所述载波放大器、第一峰值放大器、第二峰值放大器、下一级峰值放大器至最后一级峰值放大器的偏置电压依次减小。

所述的多路非对称Doherty功率放大器，其中，所述第一耦合器为5dB耦合器，第二耦合器为3dB正交耦合器。

相较于现有技术，本发明提供的多路非对称Doherty功率放大器包括至少一第一耦合器、第二耦合器、载波放大器，至少两个峰值放大器，第一四分之一波长阻抗变换微带传输线和至少两个第二四分之一波长阻抗变换微带传输线，所述峰值放大器包括第一峰值放大器和第二峰值放大器；本发明由这些电子元件构成三路非对称Doherty功率放大器结构，其电路结构简单、集成度高、大大减小了功放的体积，降低了功放的成本；同时，在上一级峰值管达到饱和时，下一级峰值管才开始工作，实现了更高的漏极功率，并且有效扩展了高效率的输出功率范围，使Doherty功率放大器的性能有效发挥，提高了功放的稳定性，而且功放的兼容性好，能与多种线性化器件结合使用，适用于3G或未来4G等基站的高PAPR（Peakto Average Power Ratio，峰均比）信号。

本发明在需要增加Doherty功率放大器输出功率时，只需在三路非对称Doherty功率放大器的基础上增加一路或者几路放大电路，每一级放大电路只需包含一个第一耦合器、一个峰值放大器和一个第二四分之一波长阻抗变换微带传输线即可，其结构简单，而且稳定性高。

另外，本发明提供的多路非对称Doherty功率放大器，在每一级放大电路中增加有补偿微带传输线，大大提高了多路非对称Doherty功率放大器整体性能。

附图说明

图1为现有技术对称型2路Doherty功率放大器的原理图。

图2为现有技术对称型2路倒置Doherty功率放大器的原理图。

图3为现有技术非对称型2路Doherty功率放大器的原理图。

图4为现有技术一种多路Doherty功率放大器的原理图。

图5为现有技术另一种多路Doherty功率放大器的原理图。

图6为本发明提供的三路非对称Doherty功率放大器不带补偿线的电路结构原理图。

图7为本发明提供的三路非对称Doherty功率放大器带补偿线的电路结构原理图。

图8为本发明提供的多路非对称Doherty功率放大器不带补偿线的电路结构原理图。

图9为本发明提供的多路非对称Doherty功率放大器带补偿线的电路结构原理图。

图10为本发明第一应用实施例的电路结构框图。

图11为本发明第二应用实施例的电路结构框图。

图12为本发明第三应用实施例的电路结构框图。

具体实施方式

本发明提供一种多路非对称Doherty功率放大器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

Doherty功率放大器具有结构简单、成本低、效率高、电路稳定，可方便的与各种线性化技术结合使用，但是，多路非对称Doherty功率放大器内部电路的要求比较严格，具体包括几下几种因素：

1、新型Doherty功率放大器比传统Doherty功率放大器在效率和功率方面具有极大优势，但因其电路结构的特殊性，对主峰值管电路的阻抗匹配平衡度要求极高，主峰值管阻抗匹配平衡度偏差会使功率管的性能不能完全发挥，引起功放整体功率和效率性能恶化，甚至导致功率管自激失效。

2、对主峰值管和各峰值管的阈值开启电压门限值有极为严格的要求：如果主峰值管和各峰值管阈值开启电压门限值偏差稍大，会使得主峰值管或前级峰值管功率载荷过大，极易引起电路阻抗失配，功率管过载，导致功率管失效。如果主峰值管和各峰值管阈值开启电压门限值差距太小，会使得主管或前级峰值管性能得不到充分发挥，整体功率和效率性能下降。

3、多路非对称Doherty功率放大器主副功率管的选择具有灵活的组合运用方式，例如主峰值管型号相同、主峰值管与峰值管型号不同但峰值管型号相同，主峰值管型号不同、并且峰值管也型号不同等，不同的组合方式对功率管的功率增益和阈值开启电压门限值有不同的需求，只有功率管性能与电路结构匹配时，才能较好的实现多路非对称Doherty功率放大器的性能。

4、多路非对称Doherty功率放大器主峰值管和各峰值管的输入功率分配比影响功放的整体性能，各功率管的输入功率分配比不能过大也不能过小，需根据实际电路结构及功率管型号确定合适的输入功率分配比。

以上几个因素是决定多路非对称Doherty功率放大器整体性能的关键点，它们相辅相成，缺一不可。

本发明基于上述几个因素提供一种多路非对称Doherty功率放大器，请参阅图6，所述多路非对称Doherty功率放大器包括至少一个第一耦合器P1、第二耦合器P2、载波放大器T，至少两个峰值放大器，第一四分之一波长阻抗变换微带传输线Z1和至少两个第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2；所述峰值放大器包括第一峰值放大器T1和第二峰值放大器T2。

其中，所述第一耦合器P1的第一信号输出端与第二峰值放大器T2的信号输入端连接，所述第二峰值放大器T2的信号输出端通过第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线Z1连接；所述第一耦合器P1的第二信号输出端与第二耦合器P2的信号输入端连接。

所述第二耦合器P2的第一信号输出端与载波放大器T的信号输入端连接，载波放大器T的信号输出端与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线Z1连接；所述第二耦合器P2的第二信号输出端与第一峰值放大器T1的信号输入端连接，第一峰值放大器T1的信号输出端通过第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线Z1连接。所述第二耦合器P2的另一信号输入端接地，第一四分之一波长阻抗变换微带传输线Z1还通过50Ω的负载接地。

上述多路非对称Doherty功率放大器为三路非对称Doherty功率放大器，如图6所示，多路非对称Doherty功率放大器由载波放大器T组成第一级放大电路，由第一峰值放大器T1和一个第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2组成第二级功率放大电路，由第二峰值放大器T2和一个第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2组成第三级功率放大电路。在使用时，信号从第一耦合器P1的第一信号输入端输入，从第一四分之一波长阻抗变换微带传输线Z1输出。当载波放大器T达到饱和输出功率点时，第一峰值放大器T1开始工作，当第一峰值放大器T1达到饱和输出功率点时，第二峰值放大器T2开始工作。

本发明实施例中，所述第一耦合器P1为5dB耦合器，此类耦合器的两路输出只有功率比不同，没有相位变化。第二耦合器P2为3dB正交耦合器，其直通端具有-90°相位延迟，正好补偿了峰值放大器输出端四分之一波长阻抗变换微带传输线的相位延迟，从而不需要额外增加相位补偿微带传输线（即与现有技术相比，在载波放大器T的这一级功放电路中，省去了一个四分之一波长阻抗变换微带传输线），提高了电路集成度。

在具体实施时，所述第一四分之一波长阻抗变换微带传输线Z1为28.9Ω的阻抗变换微带传输线，第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2为50Ω的阻抗变换微带传输线。所述载波放大器T、第一峰值放大器T1和第二峰值放大器T2的偏置电压逐渐减小，使载波放大器T达到饱和输出功率点时，第一峰值放大器T1开始工作，当第一峰值放大器T1达到饱和输出功率点时，第二峰值放大器T2开始工作，使载波放大器T工作于AB类，第一峰值放大器T1与第二峰值放大器T2工作于C类。

本发明实施例中，各功率管的偏置电压以载波放大器T及峰值放大器的器件型号及各自工作模式为标准，载波放大器T偏置电压最大，使载波放大器T最先开始工作并随着输入信号的增加逐渐提高输出功率，在此过程中峰值放大器的偏置电压为保证所有峰值放大器不工作的电压。

此处也可以理解为：在载波放大器T达到饱和输出功率点时，第一峰值放大器T1的偏置电压的大小应使第一峰值放大器T1开启，并随着输入信号的增加逐渐提高输出功率，在此过程中第二峰值放大器T2的偏置电压保证第二峰值放大器T2不工作，当第一峰值放大器T1也达到饱和输出功率点时，第二峰值放大器T2的偏置电压的大小使第二峰值放大器T2开启并随着输入信号的增加逐渐提高输出功率，最终载波放大器T、第一峰值放大器T1和第二峰值放大器T2都达到饱和功率输出时，使整个3路非对称Doherty功率放大器达到最饱和的功率输出。

本发明实施例中，载波放大器T偏置电压为2.5－3.5V（具体以选用的载波放大器T型号为准），第一峰值放大器T1的偏置电压比载波放大器T的偏置电压减少1－1.5V，第二峰值放大器T2的偏置电压比第一峰值放大器T1的偏置电压减少0.5－1V。

为了提高3路非对称Doherty功率放大器的整体性能，在所述载波放大器T的信号输出端与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线Z1之间、第一峰值放大器T1的信号输出端和该支路上的第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2（即与第一峰值放大器T1信号输出端连接的第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2）之间，及第二峰值放大器T2的信号输出端和该支路上的第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2之间均串联有补偿微带传输线Z3。本实施例中，所述补偿微带传输线Z3可采用阻值为50Ω的微带传输线。

本发明三路非对称Doherty功率放大器加补偿线的工作原理为：当小信号输入时载波放大器T工作，此时峰值放大器都未工作，并且因为峰值放大器输出端的四分之一波长阻抗变换微带传输线及补偿微带传输线Z3的作用，使峰值放大器相对载波放大器T呈现高阻抗。当输入功率增大至载波放大器T饱和时，第一峰值放大器T1开始工作，第二峰值放大器T2未工作，并且因为第二峰值放大器T2的输出端四分之一波长阻抗变换微带传输线及补偿微带传输线Z3的作用相对载波放大器T和第一峰值放大器T1呈现高阻抗。

当然在其它实施例中，所述补偿微带传输线Z3的数量、在电路中的位置和阻值还可以根据具体的电路进行设置，譬如，可在任意一级功放电路上增加一个补偿微带传输线，即在所述载波放大器T的信号输出端与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线Z1之间，或者第一峰值放大器T1的信号输出端和该支路上的第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2之间或者第二峰值放大器T2的信号输出端和该支路上的第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2之间串联补偿微带传输线Z3。

换句话说，本发明即可在每一条支路上串接一个补偿微带传输线Z3（如图7所示），也可以根据实际需要，在一条或者两条支路上串接一个补偿微带传输线Z3，也可以在每一条支路上都不串联补偿微带传输线Z3（如图6所示）。

在进一步的实施例中，本发明还提供一种多路非对称Doherty功率放大器，请参阅图8，在该多路非对称Doherty功率放大器中，所述第一耦合器P1为n-1个，且均为5dB耦合器，峰值放大器为n个（即第一峰值放大器T1、第二峰值放大器T2、…、第m峰值放大器Tm、…、第n峰值放大器Tn），所述载波放大器T和n个峰值放大器构成n+1级功率放大电路，n为大于1的正整数数。

在多路非对称Doherty功率放大器中增加一路放大电路时，第一耦合器P1的信号输入端与下一级功率放大电路的第一耦合器P1的第一信号输出端连接，下一级功率放大电路的第一耦合器P1的第二信号输出端与下一级峰值放大器的信号输入端连接，下一级峰值放大器的信号输出端通过第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线Z1连接，此时，信号则从下一级功率放大电路的第一耦合器P1的信号输入端输入，如图8所示的电路结构。

譬如，当多路非对称Doherty功率放大器为四路非对称Doherty功率放大器时，上述的下一级功率放大电路为第四级功率放大电路，下一级峰值放大器为第三峰值放大器。当多路非对称Doherty功率放大器为五路非对称Doherty功率放大器时，第三级功放电路的下一级功率放大电路为第四级功率放大电路，第四级功率放大电路的下一级功率放大电路为第五级功率放大电路。第二峰值放大器T2的下一级峰值放大器为第三峰值放大器，第三峰值放大器的下一级峰值放大器为第四峰值放大器，依此类推。

进一步地，为了提高多路非对称Doherty功率放大器的整体性能，在所述下一级峰值放大器的信号输出端和该支路上的第二四分之一波长阻抗变换微带传输线Z2之间串联有补偿微带传输线Z3，如图9所示。并且，所述载波放大器T、第一峰值放大器T1、第二峰值放大器T2、下一级峰值放大器（即第三峰值放大器、第四峰值放大器、…第m峰值放大器、…）至最后一级峰值放大器（即第n峰值放大器）的偏置电压依次减小。

本发明实施例提供的多路非对称Doherty功率放大器，其工作原理与上述3路非对称Doherty功率放大器的工作原理相似，其电路结构包括一个载波放大器T，两个或者两个以上的峰值放大器，每一级峰值放大器在前一级峰值放大器饱和后开始工作。

并且，多路非对称Doherty功率放大器的电路可以有多种组合方式，如：主管（即载波放大器T）与峰值管（即峰值放大器）同型号组合、主管与峰值管不同型号但峰值管同型号组合、主管与峰值管不同型号，并且峰值管也不同型号组合。

本发明实施例提供的多路非对称Doherty功率放大器，其主管与峰值管型号的选择可以按一定规则选择，当主管与峰值管型号相同时，选用同一型号功率管；当主管与峰值管型号不同但峰值管型号相同时，主管选型标称功率应比峰值管的标称功率小；当主管与峰值管型号不同并且峰值管也型号不同时，第一峰值管选型标称功率比第二峰值管的标称功率小，第二峰值管选型标称功率比第三峰值管的标称功率小，依此类推。

本发明提供的多路非对称Doherty功率放大器可与多种线性化技术结合使用，本发明的第二应用实施例，如图10所示，其为前馈线性化多路非对称Doherty功率放大器应用，多路非对称Doherty功率放大器可安装在主放大器模块中，信号从小信号放大器模块处输入，依次经过主放大器模块放大、经带通滤波器滤波处理后从信号抵消模块处输出，由天线向外发射。

本发明的第二应用实施例，如图11所示，其为射频预失真多路非对称Doherty功率放大器的应用，多路非对称Doherty功率放大器串接在合路器和输出取样耦合器之间，其放大信号依次经过输出取样耦合器、滤波器，由天线向外发射。

本发明的第三应用实施例，如图12所示，其为数字预失真多路非对称Doherty功率放大器的应用，多路非对称Doherty功率放大器串接在RF调制器和输出取样耦合器之间，其放大信号依次经过输出取样耦合器、滤波器，由天线向外发射。

综上所述，本发明提供的多路非对称Doherty功率放大器具有结构简单、成本低、效率高、电路稳定、对系统线性度影响较小、集成度高等优点、并且由于其有良好的兼容性，可方便的与各种线性化技术结合使用，适合于推广运用。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种多路非对称Doherty功率放大器，其特征在于，包括至少一第一耦合器、第二耦合器、载波放大器，至少两个峰值放大器，第一四分之一波长阻抗变换微带传输线和至少两个第二四分之一波长阻抗变换微带传输线；所述峰值放大器包括第一峰值放大器和第二峰值放大器；

2.根据权利要求1所述的多路非对称Doherty功率放大器，其特征在于，所述第一耦合器为n-1个，峰值放大器为n个；所述载波放大器和n个峰值放大器构成n+1级功率放大电路，其中，n为大于1的正整数。

3.根据权利要求2所述的多路非对称Doherty功率放大器，其特征在于，第一耦合器的信号输入端与下一级功率放大电路的第一耦合器的第一信号输出端连接，下一级功率放大电路的第一耦合器的第二信号输出端与下一级峰值放大器的信号输入端连接，下一级峰值放大器的信号输出端通过一第二四分之一波长阻抗变换微带传输线与第一四分之一波长阻抗变换微带传输线连接。

4.根据权利要求3所述的多路非对称Doherty功率放大器，其特征在于，在所述下一级峰值放大器的信号输出端和该支路上的第二四分之一波长阻抗变换微带传输线之间串联有补偿微带传输线。

5.根据权利要求2所述的多路非对称Doherty功率放大器，其特征在于，所述载波放大器、第一峰值放大器、第二峰值放大器、下一级峰值放大器至最后一级峰值放大器的偏置电压依次减小。