CN102594265A - 一种电调多尔蒂功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电调多尔蒂功率放大器，适用于移动基站功率放大及卫星通讯等领域。该电调多尔蒂功率放大器中，载波放大器和峰值放大器的驱动功率分配比及两路放大器的合成相位实现了电可调，从而保证了Doherty功率放大器的最佳驱动功率分配比，以及最佳的合成相位。

Description

一种电调多尔蒂功率放大器

技术领域

本发明涉及通信电子行业功率放大器技术领域，尤其涉及一种电调多尔蒂(Doherty)功率放大器。

背景技术

多尔蒂技术是当今移动通信功率放大器领域的一个热门话题。多尔蒂方案于1936年首次被提出，并在近几年得到了广泛的应用和迅速的发展。

多尔蒂功率放大器是当今无线通信放大器领域唯一种已广泛使用的高效率解决方案。由于多尔蒂技术是一种AB类功率放大器和C类功率放大器的组合放大方案，因此对功放的设计带来了一定的难度，一是输出功率结合的效率很难达到最佳、二是功放的线性度很难提高。为改善多尔蒂功放的性能，一系列新的技术方案被应用到多尔蒂功率放大器上，如不等功分技术等。

不等功分技术的多尔蒂功率放大器的结构如图1所示，它包括：不等功率分配器，载波放大器、峰值放大器和输出功率合成网络等四个结构。对于设计不等功率分配的多尔蒂功率放大器而言，其先仿真得到载波放大器和峰值放大器的最佳驱动功率分配比，然后设计成不等分功率分配器，可以提高多尔蒂功率放大器的性能。但由于有源功率器件的模型和实际器件往往还有很大差距，仿真得到的最优值在实际电路中往往不是最优的，而分布参数不等功率分配器一旦设计完成，其功率分配比不再可调，从而导致多尔蒂功率放大器功率分配不够灵活。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种电调多尔蒂功率放大器，以提高载波放大器和峰值放大器的驱动功率分配比进行调整的实时性，优化功率分配比。

(二)技术方案

本发明提供了一种电调多尔蒂功率放大器。利用电调移相器控制载波放大器和峰值放大器的结合相位；利用电调衰减器控制载波放大器和峰值放大器的驱动功率分配比，载波放大器和峰值放大器采用独立的驱动放大器。该功率放大器包括：功率分配器、电调衰减器、电调移相器、第一驱动放大器、第二驱动放大器、峰值放大器、载波放大器、输出功率合成网络以及恒静态偏置电路。本实施例中电调多尔蒂功率放大器的信号由功率分配器的输入端口输入后，功率被分配至峰值放大器支路和载波放大器支路，在两支路完成对输入信号的功率放大后，由输出功率合成网络进行功率合成，并将功率输出到外部负载。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明电调多尔蒂功率放大器具有下列有益效果：

(1)本发明中，利用电调衰减器对多尔蒂功率放大器的驱动功率分配比进行调整，可以实现载波放大器和峰值放大器的实际最佳功率分配比；

(2)本发明中，利用电调移相器对峰值放大器的输入相位进行调整，可以得到载波放大器和峰值放大器的实际最佳合成相位；

(3)由于本发明采用了对载波放大器和峰值放大器分别进行驱动的电路结构，使电调结构带来的效率损失降低到可以忽略不计的水平。

附图说明

图1为经典的不等功分多尔蒂功率放大器结构示意图；

图2为本发明实施例电调多尔蒂功率放大器的结构示意图；

图3为本发明实施例电调多尔蒂功率放大器中电调衰减器的结构示意图；

图4为本发明实施例电调多尔蒂功率放大器三阶互调与载波放大器驱动衰减量关系的参考实例曲线；

图5为本发明实施例电调多尔蒂功率放大器中电调移相器的结构示意图；

图6为本发明实施例电调多尔蒂功率放大器移相量、IMD3和效率三者关系的一个实例曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明的电调结构可利用偏置电压对多尔蒂功率放大器的驱动功率分配比和结合相位进行调整。这种方法对电路本身无损伤，并且提高了功率分配比的合理性。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种电调多尔蒂功率放大器。图2为本发明实施例电调多尔蒂功率放大器的结构示意图。如图2所示，本实施例电调多尔蒂功率放大器包括：功率分配器、电调衰减器、电调移相器、第一驱动放大器、第二驱动放大器、峰值放大器、载波放大器、输出功率合成网络以及恒静态偏置电路。其中，电调移相器、第一驱动放大器和峰值放大器构成峰值放大器支路，用于对所分配的功率进行峰值放大；电调衰减器、第二驱动放大器和载波放大器构成载波放大器支路，用于对所分配的功率进行载波放大。本实施例中电调多尔蒂功率放大器的信号由功率分配器的输入端口输入后，功率被分配至峰值放大器支路和载波放大器支路，在两支路完成对输入信号的功率放大后，由输出功率合成网络进行功率合成，并将功率输出到外部负载，实例中的系统阻抗为50欧姆，即输入源阻抗为50欧姆、输出负载阻抗为50欧姆。以下分别对各部件进行详细说明。

功率分配器，其前端连接初始输入信号，用于将初始输入信号按照预设比例分配至峰值放大器支路和载波放大器支路。优选地，如图2所示，该功率分配器采用电桥型功率分配器，初始输入信号由电桥型功率分配器的第一端口输入，由其第二端口、第四端口分别输出到峰值放大器支路和载波放大支路；功率分配器的第三端口经50欧姆电阻接地。功率分配器宜采用等功率分配器，由后级电调衰减器进行不等功分驱动调整。当然也可依据优化方案采用合适的不等功率分配器。本领域技术人员应当明白，此处功率功率分配器也可以采用除电桥型功率分配器之外的其他类型，如威尔金森型功率分配器、分支线功率分配器等。

在载波放大器支路中，电调衰减器的输入端连接功率分配器的第二输出端，其控制端连接至偏置电压，用于对载波放大器支路的输入信号进行可调幅度幅度的衰减，以调整载波放大器和峰值放大器的驱动功率分配比。当功率放大器为电桥型功率分配器时，电调衰减器输入端接其第四端口。

图3为本发明实施例电调多尔蒂功率放大器中电调衰减器的结构示意图。如图3所示，电调衰减器由3dB的第一电桥、第一隔直流电容C1、第二隔直流电容C2、第一电感、第二电感、第一PIN管和第二PIN管组成。第一电桥的1、3端口分别作为电调衰减器的输入、输出口；电桥的2、4端口分别经第二隔直流电容C2、第一隔直流电容C1连接到第一PIN管PIN1、第二PIN管PIN2管的正极；第一PIN管PIN1和第二PIN管PIN2管的负极接地，其正极分别通过第二去耦电感L2、第一去耦电感L1连接至电调衰减器的偏置电压。改变电调衰减器的偏置电压，使载波放大器和峰值放大器拥有不同的驱动功率分配比，从而使多尔蒂功放的线性度达到最佳。

需要说明的是，此处电调衰减器对整个电路的效率影响非常小，以一个效率为40％的多尔蒂功放为例，假设载波功放的增益为50dB，该50dB含图2所示第二驱动，电调衰减器仅产生3dB衰减，那么其对整个功放效率的损失仅为：

Δη≈40/100-1/(100/40+1/10^5)≈0.00016％    (1)

从而可认为这一小信号阶段的衰减对整个电调多尔蒂功率放大器的效率几乎没有影响。

图4为本发明实施例电调多尔蒂功率放大器三阶互调(IMD3)与载波放大器驱动衰减量关系的参考实例曲线。随着载波放大器驱动衰减量的改变，多尔蒂功率放大器输出的三阶互调会出现一个最低点。当载波放大器的驱动衰减量进行变化时，载波放大器的输出功率发生了改变，同时其输出的三阶互调的相位和幅度随之改变，当调整到载波放大器输出的三阶互调与峰值功率放大器输出的三阶互调在幅度上近似相等，相位上近似相反时，载波放大器输出的三阶互调与峰值功率放大器输出的三阶互调合成后发生较强的对消效果，多尔蒂功率放大器总的输出三阶互调最小，因而出现图4所示的三阶互调曲线的最低点。

在载波放大器支路中，第二驱动放大器的输入级经50欧姆延迟线3接电调衰减器的输出级，输出级接到载波放大器的输入级，用于驱动载波放大器。第二驱动放大器完成对输入信号的驱动放大，使信号达到一定增益和功率，分别驱动峰值功率放大器和载波功率放大器。为减小电路尺寸，第二驱动放大器应当选用高增益的集成功率放大器，按线性度优先的原则设计输入、输出匹配电路。此外，第二驱动放大器的栅极偏置电压由恒静态偏置电路提供，漏级经直流偏置网络连接到供电电源。

在载波放大器支路中，载波放大器的输入级连接到第二驱动放大器的输出级，载其输出级连接到输出功率合成网络的第二输入端。载波放大器对输入载波功率信号进行放大。载波放大器为AB类功率放大器，在所有时段内均为导通状态，完成对信号的功率放大。载波值放大器的栅极偏压网络连接到恒静态偏置电路的输出级；载波放大器的漏极偏压网络连接到供电电源。依据AB类放大器的设计原则设计载波放大器的输入、输出匹配网络，整个电路完成后再对放大器的匹配和偏置电压做适当调试。至此，载波放大器支路的各部件介绍完毕。

在峰值放大器支路中，电调移相器的输入端连接功率分配器的第一输出端，其控制端连接至电调移相器的偏置电压。电调移相器用来对峰值放大器的输入信号进行可调幅度的相位调整，从而使载波放大器和峰值放大器的输出保持最优的结合相位。通过对结合相位的调整，可以使多尔蒂功率放大器有较好的线性度和效率。本例中用IMD3指标衡量线性度。当功率放大器为电桥型功率分配器时，电调移相器的输入端接功率分配器的2端口，输出端接峰值放大器驱动级，即驱动1的输入级。

图5为本发明实施例电调多尔蒂功率放大器中电调移相器的结构示意图。如图5所示，电调移相器由3dB的第二电桥、第三隔直流电容C3、第四隔直流电容C4、第三去耦电感L3、第四去耦电感L4、第一变容管D1和第二变容管D2组成。第二电桥的1、3端口分别为电调衰减器的输入、输出口；电桥的2、4端口分别经第三隔直流电容C3、第四隔直流电容C4接到第二变容管D2、第一变容管D1的负极；第二变容管D2和第一变容管D1变容管的正极接地，负极分别通过第四去耦电感L4、第三去耦电感L3连接至功电调移相器的偏置电压，可使功放的互调分量(IMD3)和效率处在一个合适的结合点。

图6为本发明实施例电调多尔蒂功率放大器移相量、IMD3和效率三者关系的一个实例曲线。可以选择到一个合适的移相量，如图中m1点，使功率放大器同时拥有较好的线性度和效率。此处，该线性度用IMD3衡量。随着电调移相器移相量的变化，峰值放大器输出信号和三阶互调的相位发生改变，当峰值放大器输出信号与载波放大器输出信号的相位相同时，多尔蒂放大器的效率最高，但此时峰值放大器和载波放大器的三阶互调不一定达到最佳的对消相位，即Doehrty功率放大器的最佳功率点和最优三阶互调点并不处于同一个点，因而要进行一个折中的取舍，一般是三阶互调最优时，放大器能保持较高的效率，所以本实施例中取互调最优点，如图中m1点，使功率放大器同时拥有较好的线性度和效率。

在峰值放大器支路中，第一驱动放大器的输入级连接到电调移相器的输出级，输出级连接到峰值放大器的输入级，用于驱动峰值功率放大器。

第一驱动放大器完成对输入信号的驱动放大，使信号达到一定增益和功率，驱动峰值功率放大器。为减小电路尺寸，第一驱动放大器应当选用高增益的集成功率放大器，按线性度优先的原则设计输入、输出匹配电路。此外，第一驱动放大器的栅极偏置电压由恒静态偏置电路提供，漏级经直流偏置网络连接到供电电源。

针对第一驱动放大器和第二驱动放大器，考虑到本发明的多尔蒂功率放大器中电调器件的功率承受能力，同时为了尽量减小前级衰减带来的效率损失，对载波放大器和峰值放大器分别进行驱动。第一驱动放大器和第二驱动放大器均为AB类功率放大器。依据多尔蒂输出功率确定所需要的驱动功率放大器的增益和输出功率的大小。电调器件通常都是小信号器件，为确保器件安全及信号质量，通常电调器件的输入电平要小于0dBm，若多尔蒂最终输出功率为50dBm，末级增益为15dB，则可知各路驱动级的线性输出功率应不小于32dBm。且其增益应当不小于32dB，考虑到电调器件的损耗，实际增益应当适当增加。

在峰值放大器支路中，峰值放大器的输入级连接到第一驱动器的输出级，其输出级连接输出功率合成网络的第一输入端。峰值放大器用于对输入信号进行峰值放大：峰值放大器工作于开关状态，当输入信号电平低于峰值放大器的工作门限时，峰值放大器截止；当输入信号电平高于峰值放大器的工作门限时，峰值放大器导通工作，和载波放大器一起完成对信号的功率放大，以满足高功率输出的要求。峰值功率放大器依据工作频率和效率要求选用相应的功率放大器件，如LDMOS、GaN、GaAs等，可先按AB类放大器进行输入、输出匹配网络的设计，然后再针对C类放大器稍做调整。

峰值放大器的栅极偏压网络连接到恒静态偏置电路的输出级；峰值放大器的漏级偏压网络连接到供电电源。栅极偏置电压确定放大器的导通角。考察不同栅压下功率放大器的互调输出矢量，从而确定出载波放大器和峰值放大器的最佳偏置栅压，使多尔蒂功率放大器实现较高的线性度。至此，峰值放大器支路的各部件介绍完毕。

恒静态偏置电路对载波放大器的温度进行跟踪并反馈回电压信号，分别供给驱动放大器、载波放大器、峰值放大器的栅极作为偏置电压。利用焊接在载波放大器附近的BJT管对功率放大器的温度进行跟踪，设计成温度-电压负反馈直流偏置电路，分别供给各功率放大器的栅极分压偏置网络以进行温度补偿，以保证在不同温度下放大器具有相同的静态偏置电流，保证放大器性能的稳定。

输出功率合成网络，其输入级分别连接载波放大器和峰值放大器的输出级，输出连接到负载，用于进行载波放大器和峰值放大器两路输出的功率合成和阻抗变换。如图2所示，输出功率合成网络的输出功率合成网络由50欧姆的第一传输线、第二传输线和35欧姆的π/4阻抗变换线组成的3端口T型网络。第一传输线的一端接峰值放大器的输出级，另一端接到阻抗变换线的第一端，即公共端；第二传输线的一端接峰值放大器的输出级，另一端同样接到阻抗变换线的第一端；阻抗变换线的第二端接负载。传输线1、2的长度按最佳结合效率优化，满足当峰值功率放大器截止时公共端往峰值放大器方向看为高阻抗，近似开路，此时载波放大器得到的负载阻抗为100欧姆，当峰值放大器完全导通时，载波放大器和峰值放大器所得到的负载阻抗均近似为50欧姆。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电调多尔蒂功率放大器，包括：

功率分配器，与功率输入端相连接，用于将输入信号按照预设功率分配比例分配为峰值功率信号和载波功率信号，并分别传输至峰值放大器支路和载波放大器支路；

峰值放大器支路，与功率分配器的第一输出端相连接，用于对所分配的峰值功率信号进行可调相位的移相后，对信号进行选择性地放大：当峰值功率信号电平低于预设工作门限时，峰值放大器支路截止；当峰值功率信号电平高于预设工作门限时，峰值放大器支路导通，进行功率放大；

载波放大器支路，与功率分配器的第二输出端相连接，用于对所分配载波功率信号进行可调比例的功率衰减后，再进行功率放大；

输出功率合成网络，其两输入端分别于峰值放大器支路的输出端和峰值放大器支路的输出端相连接，用于进行载波放大器支路和峰值放大器支路两路输出的功率合成和阻抗变换。

2.根据权利要求1所述的电调多尔蒂功率放大器，其中，所述载波放大器支路包括：

电调衰减器，其输入端与功率分配器的第一输出端相连接，其控制端与电调移相器的偏置电压连接，用于对输入的载波功率信号根据该偏置电压进行可调幅度的衰减，以调整载波放大器支路和峰值放大器支路的驱动功率分配比；

第二驱动放大器，其输入端经过延迟线连接至电调衰减器的输出端，用于驱动载波放大器；

载波放大器，其输入端连接至第二驱动放大器，其输出端连接至输出功率网络，用于对输入的载波功率信号进行功率放大。

3.根据权利要求2所述的电调多尔蒂功率放大器，其中，所述电调衰减器包括：第一电桥、第一隔直流电容、第二隔直流电容、第一电感、第二电感、第一PIN管和第二PIN管，其中：

第一电桥的第一端口和第三端口分别作为电调衰减器的输入、输出口；电桥的第二端口和第四端口分别经第二隔直流电容、第一隔直流电容连接到第一PIN管和第二PIN管管的正极；

第一PIN管和第二PIN管管的负极接地，其正极分别通过第二去耦电感、第一去耦电感连接至电调衰减器的偏置电压。

4.根据权利要求2所述的电调多尔蒂功率放大器，其中，所述峰值放大器支路包括：

电调移相器，其输入端连接功率分配器的第一输出端，其控制端连接至电调移相器的偏置电压，用于对峰值功率信号根据该偏置电压进行可调幅度的相位调整；

第一驱动放大器，其输入端连接至电调移相器的输出级，用于驱动峰值功率放大器；

峰值放大器，其输入端连接至第一驱动放大器，其输出端连接至输出功率网络，用于在峰值功率信号的幅度达到预设值时对信号进行功率放大，否则，保持截止状态。

5.根据权利要求4所述的电调多尔蒂功率放大器，其中，所述电调移相器包括：电调移相器由第二电桥、第三隔直流电容、第四隔直流电容、第三去耦电感、第四去耦电感、第一变容管和第二变容管，其中：

第二电桥的第一端口、第三端口分别为电调衰减器的输入、输出口；电桥的第二端口、第四端口分别经第三隔直流电容、第四隔直流电容接到第二变容管、第一变容管的负极；

第二变容管和第一变容管的正极接地，负极分别通过第四去耦电感、第三去耦电感连接至电调移相器的偏置电压。

6.根据权利要求5所述的电调多尔蒂功率放大器，其中：

所述第一驱动放大器和第二驱动放大器均为AB类功率放大器；

所述峰值放大器为C类功率放大器；载波放大器为AB类功率放大器。

7.根据权利要求6所述的电调多尔蒂功率放大器，还包括：恒静态偏置电路，其中：

该恒静态偏置电路，用于对载波放大器的温度进行跟踪并反馈回电压信号；

所述第一驱动放大器、第二驱动放大器、载波放大器和峰值放大器，其各自的栅极偏置电路分别连接至恒静态偏置电路，漏级偏置电路连接到供电电源，用于利用恒静态偏置电路的电压信号对各放大器进行温度补偿。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电调多尔蒂功率放大器，其中，所述功率分配器为电桥型功率分配器，

其第一端口连接至功率输入端；

其第二端口和第四端口分别连接至峰值放大器支路和载波放大支路，其第三端口通过电阻连接至地。

9.根据权利要求8所述的电调多尔蒂功率放大器，其中，所述功率分配器为等功率分配器。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的电调多尔蒂功率放大器，其中，所述输出功率合成网络为由第一传输线、第二传输线和π/4阻抗变换线组成的3端口T型网络，其中第一传输线和第二传输线的特征阻抗为50欧姆；π/4阻抗变换线的特征阻抗为35欧姆；其中：

第一传输线的一端接峰值放大器支路的输出级，另一端接到阻抗变换线的第一端；

第二传输线的一端接峰值放大器支路的输出级，另一端同样接到阻抗变换线的第一端；阻抗变换线的第二端接负载。

第一传输线和第二传输线的长度满足：当峰值功率放大器截止时公共端往峰值放大器方向看为高阻抗；当峰值放大器完全导通时，载波放大器和峰值放大器所得到的负载阻抗均为50欧姆。

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