CN102545788A

CN102545788A - 一种多路非对称Doherty放大器

Info

Publication number: CN102545788A
Application number: CN2011104515696A
Authority: CN
Inventors: 孟庆南
Original assignee: ZHENGWEI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd WUHAN
Current assignee: ZHENGWEI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd WUHAN; Wuhan Gewei Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-07-04
Also published as: WO2013097308A1

Abstract

本发明提供一种多路非对称Doherty放大器，包括多路功率分配网络电路、载波放大器、至少2个峰值放大器、输出功率合成及阻抗变换网络电路；载波放大器和峰值放大器的输入端分别与多路功率分配网络电路连接，载波放大器和峰值放大器的输出端分别与输出功率合成及阻抗变换网络电路连接；至少2个峰值放大器中，第一峰值放大器的功率是载波放大器的功率的0.7～1.3倍，其余峰值放大器的功率逐级翻倍，且翻倍系数为1.5～2.5。采用本放大器的三路非对称Doherty放大器电路回退7dB时输出7dB峰均比的GSM多载波信号情况下，效率可达56％以上，且随着峰值放大器级数的增加，可以满足更高的峰均比及效率要求。

Description

一种多路非对称Doherty放大器

技术领域

本发明属于基站功率放大器技术领域，具体涉及一种用于多载波基站系统中的多路非对称Doherty放大器结构。

背景技术

射频功率放大器是无线通信基站系统的关键部件，基站系统的能耗大部分都由射频功率放大器消耗，随着人类对绿色环保的重视，无线通信领域对射频功率放大器的效率要求越来越高。

Doherty放大器是在目前的无线通信系统中应用最为广泛的一种高效率技术，传统Doherty放大器电路的原理如附图1所示，由输入功分器1、载波放大器3、峰值放大器4.功率合成/阻抗变换网络电路5组成，输入功分器1与负载2连接。在小信号电平输入时，峰值放大器4处于关闭状态，载波放大器3的输出被功率合成/阻抗变换网络电路5牵引到了一定的负载，使得载波放大器3工作在高效率状态，随着输入信号电平的提高，峰值放大器4由关闭状态逐渐开启，载波放大器3以及峰值放大器4的输出负载随着输出功率的变化而变化，当输入信号电平达到最大值时，载波放大器3和峰值放大器4都达到了饱和状态而工作在高效率状态。

目前传统的Doherty放大器电路在信号峰均比为5～7dB的情况下可达到最好效率在50％左右，应用到射频功率放大器整机中后，效率最高也只能做到43％左右，很难进一步提高，然而随着无线宽带网络的进一步发展，信号的带宽要求越来越宽，信号峰均比也越来越高，要求功放效率也越来越高。因此如何进一步有效提高射频功率放大器的效率特别是在高峰均比条件下的效率是射频功率放大器领域的一个值得深入研究的课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种多路非对称Doherty放大器，在高峰均比回退的情况下能够提高效率。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种多路非对称Doherty放大器，其特征在于：它包括多路功率分配网络电路、1个载波放大器、至少2个峰值放大器、以及输出功率合成及阻抗变换网络电路；载波放大器和峰值放大器的输入端分别与所述多路功率分配网络电路连接，载波放大器和峰值放大器的输出端分别与所述输出功率合成及阻抗变换网络电路连接；

所述至少2个峰值放大器中，第一峰值放大器的功率是所述载波放大器的功率的0.7～1.3倍，其余峰值放大器的功率逐级翻倍，且翻倍系数为1.5～2.5，定义所述载波放大器的功率为P_c，所述峰值放大器的功率逐级为P_p1、P_p2...P_p(n-1)、P_pn，则P_p1＝(0.7～1.3)P_c、P_p2＝(1.5～2.5)P_p1、…、P_pn＝(1.5～2.5)P_p(n-1)，其中n为峰值放大器个数。

按上述方案，所述多路功率分配网络电路由混合耦合器、微带线功分器、带状线功分器、同轴电缆功分器中的一种或几种元件构成，用于将输入信号分配成至少三路功率。

按上述方案，所述功率合成及阻抗变换网络电路由分离式的耦合、微带线、带状线、同轴电缆、微波电容中的一种或几种构成，用于将所有峰值放大器和载波放大器输出的射频信号进行功率合成及阻抗变换后输出。

按上述方案，所述的每个载波放大器和峰值放大器前分别串联一个延时移相调幅网络电路，用于引入群时延、插入相位和插入损耗，使得放大路径在所述工作频带内的群时延、插入相位、以及增益参数特征一致。

按上述方案，所述的延时移相调幅网络电路包括微带线、带状线、表面安装元件、同轴电缆中的至少之一的元件。

按上述方案，本放大器由独立元件构成，或由多颗放大管管芯及相应的辅助元件采用半导体制作工艺集成在单芯片中构成单芯片集成电路。

本发明的工作原理是射频放大器电路的设计采用了至少三路的非对称的拓扑结构。在输入端输入一个高峰均比的信号，在输入信号为均值及均值以下信号时，峰值放大器处于关闭状态，载波放大器的输出被功率合成及阻抗变换网络电路牵引到了一定的负载，使得载波放大器工作在高效率状态；随着输入信号电平的提高，峰值放大器由关闭状态逐渐开启，载波放大器以及峰值放大器的输出负载随着输出功率的变化而变化；当输入信号电平达到最大峰值时，载波放大器峰值放大器都达到了饱和状态而工作在高效率状态。

本发明的有益效果为：

1、实验证明，采用本非对称Doherty放大器实现的三路非对称Doherty放大器电路回退7dB时输出7dB峰均比的GSM多载波信号情况下，效率可以达到56％以上，将该非对称Doherty放大器的电路应用到具有驱动级和输出隔离器的功放整机中，功放整机回退7dB的效率可以达到48％-50％以上，输出GSM 6载波的互调抑制可以做到≤-63dBc，输出GSM 4载波的互调抑制可以做到≤-65dBc。采用本非对称Doherty放大器实现的四路非对称Doherty放大器电路应用到具有驱动级和输出隔离器的功放整机中，功放整机回退7dB的效率可以达到50％-52％。随着峰值放大器级数的增加，则可以满足更高的峰均比及效率要求。

2、本设计通过采用了多路非对称的Doherty拓扑结构，在放大高峰均比信号情况下有更高的效率，配合外加的DPD(数字预失真)补偿电路时能够达到较好的线性；同时又能做到较低成本且工作可靠、稳定。

3、在每个放大器前分别引入一个简单的延时移相调幅网络电路，来抵消不同放大器之间的群时延、插入相位、增益等参数差异，使得放大路径在所述工作频带内的群时延、插入相位、增益等参数特征一致，从而使输出射频信号的功率合成达到最大值，这样即可以达到较高的效率，也可以满足高峰均比的需求。

附图说明

图1为传统Doherty放大器的电路原理框图。

图2为本发明一实施例的电路原理框图。

图3为本发明一实施例应用的实例。

图4为本发明又一实施例的电路原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、工作原理和优点能够更加清晰明白，下面会结合附图对本发明进行详细的说明。

实施例一：

图2为本发明一实施例的电路原理框图，它包括多路功率分配网络电路、1个载波放大器C1、至少2个峰值放大器P1-Pn、以及输出功率合成及阻抗变换网络电路；载波放大器和峰值放大器的输入端分别与所述多路功率分配网络电路连接，载波放大器和峰值放大器的输出端分别与所述输出功率合成及阻抗变换网络电路连接。

多路功率分配网络电路将输入信号进行多路功率分配；功率合成及阻抗变换网络电路将所有放大器电路输出的射频信号进行功率合成及阻抗变换后输出。这种多路非对称Doherty放大器结构采用了上述比例的峰值放大器，既可以满足高信号峰均比的要求，又能达到很高的效率。其中根据翻倍系数来选择合适的峰值放大器。

其中，所述多路功率分配网络电路可以由混合耦合器、微带线功分器、带状线功分器、同轴电缆功分器中的一种或几种元件构成，其实现将输入的信号分配成至少三路功率。

其中，所述功率合成及阻抗变换网络电路可以由分离式的耦合、微带线、带状线、同轴电缆中、微波电容等元件中的一种或几种构成，实现对多路信号的合路。

图3为本发明一实施例应用的实例，本实施例选用2个峰值放大器P1和P2。

其中，多路功率分配网络电路包括第一耦合器101、第二耦合器103、第一吸收负载102、第二吸收负载104。第一耦合器101的隔离端口通过微带线连接所述第一吸收负载102后接地；第一耦合器101的-90°端口通过微带线连接第二耦合器103的输入端；第二耦合器103的隔离端口通过微带线连接第二吸收负载104后接地；第二耦合器103的-90°输出端口通过微带线与载波放大器C1的输入端连接；第二耦合器103的0°输出端口通过微带线与第一峰值放大器P1的输入端连接；第一耦合器101的0°输出端口通过微带线与第二峰值放大器P2的输入端口连接。多路功率分配网络电路的功能为进行一路分三路的功率分配，第一耦合器101可选择通用的3dB耦合器或5dB耦合器，第二耦合器104可选择通用的3dB耦合器或5dB耦合器。其中，所述载波放大器、所述第一峰值放大器和所述第二峰值放大器的位置不受限制，可以根据实际需要任意调换位置，只要保证功率比例即可。

功率合成及阻抗变换网络电路与载波放大器C1和峰值放大器P1、P2的输出端耦合，将放大器电路的输出信号在内部进行功率合成及阻抗变换后进行输出，载波放大器和峰值放大器工作在工作频带内。所述功率合成及阻抗变换网络电路包括第一微带线201、第二微带线202、第三微带线203、第四微带线204；第一峰值放大器的输出端与第一微带线201相连；载波放大器的输出端与第二微带线202相连；第二峰值放大器的输出端与第三微带线203相连。第一微带线201、第二微带线202、第三微带线203、第四微带线204的特性阻抗为10Ω至200Ω之间的一个值，且第一、二、三、四微带线的阻抗不一定是相同的，其电长度也不一定是相同的。

在输入端输入一个高峰均比的信号，在输入信号为均值及均值以下信号时，第一峰值放大器和第二峰值放大器处于关闭状态，载波放大器的输出被功率合成及阻抗变换网络电路中的第四微带线204和第二微带线202牵引到了一定的负载，使得载波放大器工作在高效率状态；随着输入信号电平的提高，第一峰值放大器和第二峰值放大器由关闭状态逐渐开启，载波放大器以及峰值放大器的输出负载随着输出功率的变化而变化；当输入信号电平达到最大峰值时，载波放大器、第一峰值放大器和第二峰值放大器都达到了饱和状态而工作在高效率状态。

本发明可广泛应用于无线通信系统中的多载波、高效率功率放大器上，图3所示为本发明的功放实例。

某GSM功放技术指标要求如下：工作频率925-960MHZ，输出功率110W，输入信号峰均比7dB，增益58dB，效率46％，多载波互调抑制小于等于-63dBc。

应用本发明完成该功放的开发包括如下步骤：

步骤1，综合考虑上述技术指标要求及现有器件状况，决定采用四级放大电路，其中末级放大电路采用三路非对称Doherty放大器结构，如图3所示。

步骤2，选定各个放大器型号，根据链路增益及功率、效率指标要求，第一小信号放大器302选定Freescale公司的MMG3014NT1，第二小信号放大器304选定NXP公司的BGA7027，驱动级放大器305选定Freescale公司的40W的功放管MRF8P9040N，载波放大器C1选定Freescale公司的120W的功放管MRF8S9120N，第一峰值放大器P1选定Freescale公司的120W的功放管MRF8S9120N，第二峰值放大器P2选定Freescale公司的200W的功放管MRF8S9200N，这样第一峰值放大器的功率同载波放大器的功率一致，第二峰值放大器的功率是第一峰值放大器的功率的1.7倍，满足设计要求。

步骤3，根据指标要求选定温补衰减器、级间衰减网络、隔离器、供电电路等其余器件。

步骤4，根据末级的载波放大器和峰值放大器的输出匹配阻抗及开路特性，确定功率合成/阻抗变换网络的四个微带线的阻抗及电长度。

步骤5，设计合适的多路功率分配网络电路，此处使用了两个混合耦合器来实现。

步骤6，完成整个功放的原理图、PCB、结构设计。

步骤7，完成整个功放的调试测试。

该放大器包括：输入射频连接器Q1，小信号放大器电路，驱动级放大器，末级放大器电路，5.6V转5V及温度传感器电路，输出隔离器306，输出射频接连接器Q2，温度上报及功放使能接口D1，30V/5.6V供电接口D2。末级放大器电路即本发明放大器。

其中小信号放大电路包括顺次连接的温补衰减器301，第一小信号放大器302，∏型衰减器303和第二小信号放大器304，第二小信号放大器304的输出端连接驱动级放大器305的输入端，驱动级放大器305的输出端连接末级放大器电路中第一耦合器101的输入端，末级放大器电路的输出接输出隔离器306的输入端，输出隔离器306的输出端接输出射频连接器Q2。输出功率通过前向耦合电路耦合一部分到前向功率耦合输出口Q3，输出隔离器306的反射端口接反向功率耦合输出口Q4。输入到功放的30V电源通过30V/5.6V供电接口D2连接到功放，5.6V转换电路将输入5.6V电压转换成5V电压给小信号放大器、驱动级放大器和末级三路放大器供电，功放使能信号通过控制5.6V转5V电压转换器来控制5V电压的输出，为高电平时没有5V输出，为低电平或悬空时正常输出5V，温度传感器通过IIC接口将温度值上报到系统。

应用本发明设计完成的该GSM功放能够完全满足技术指标要求并有一定的余量，适合批量生产。本放大器由独立元件构成，或由多颗放大管管芯及相应的辅助元件采用半导体制作工艺集成在单芯片中构成单芯片集成电路。

实施例二：

本实施例如图4所示，结构、原理与实施例一基本相同，其不同之处在于：在每个载波放大器和峰值放大器前分别串联一个延时移相调幅网络电路，用于引入群时延、插入相位和插入损耗，使得放大路径在所述工作频带内的群时延、插入相位、以及增益参数特征一致。延时移相调幅网络电路包括微带线、带状线、表面安装元件、同轴电缆中的至少之一的元件。

延时移相调幅网络电路引入延时、插入相位、插入损耗或增益等参数特征，与所述载波放大器和峰值放大器组合进行工作，再配合所述功率分配网络电路、功率合成及阻抗变化网络电路，使得多个放大路径在所述工作频带内的时延、插入相位、插入损耗或增益等参数特征一致，从而使多路信号的功率合成达到最大值。这样即可以达到较高的效率，也可以满足高峰均比的需求。

上述仅为本发明较佳的具体的实现方式的举例，本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例，任何熟悉本领域的基本技术人员基于本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的替换或修改，都应包含在所附权利要求书所限定的范围之内。

Claims

1.一种多路非对称Doherty放大器，其特征在于：它包括多路功率分配网络电路、1个载波放大器、至少2个峰值放大器、以及输出功率合成及阻抗变换网络电路；载波放大器和峰值放大器的输入端分别与所述多路功率分配网络电路连接，载波放大器和峰值放大器的输出端分别与所述输出功率合成及阻抗变换网络电路连接；

所述至少2个峰值放大器中，第一峰值放大器的功率是所述载波放大器的功率的0.7～1.3倍，其余峰值放大器的功率逐级翻倍，且翻倍系数为1.5～2.5，定义所述载波放大器的功率为P_c，所述峰值放大器的功率逐级为P_p1、P_p2…P_p（n-1）、P_pn，则P_p1=（0.7～1.3）P_c、P_p2=（1.5～2.5）P_p1、…、P_pn=（1.5～2.5）P_p（n-1），其中n为峰值放大器个数。

2.根据权利要求1所述的多路非对称Doherty放大器，其特征在于：所述多路功率分配网络电路由混合耦合器、微带线功分器、带状线功分器、同轴电缆功分器中的一种或几种元件构成，用于将输入信号分配成至少三路功率。

3.根据权利要求1所述的多路非对称Doherty放大器，其特征在于：所述功率合成及阻抗变换网络电路由分离式的耦合、微带线、带状线、同轴电缆、微波电容中的一种或几种构成，用于将所有峰值放大器和载波放大器输出的射频信号进行功率合成及阻抗变换后输出。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的多路非对称Doherty放大器，其特征在于：所述的每个载波放大器和峰值放大器前分别串联一个延时移相调幅网络电路，用于引入群时延、插入相位和插入损耗，使得放大路径在所述工作频带内的群时延、插入相位、以及增益参数特征一致。

5.根据权利要求4所述的多路非对称Doherty放大器，其特征在于：所述的延时移相调幅网络电路包括微带线、带状线、表面安装元件、同轴电缆中的至少之一的元件。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的多路非对称Doherty放大器，其特征在于：本放大器由独立元件构成，或由多颗放大管管芯及相应的辅助元件采用半导体制作工艺集成在单芯片中构成单芯片集成电路。