CN102761310A - 一种多合体功率放大器及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多合体功率放大器及其实现方法，Doherty功率放大器的峰值放大电路中包括射频开关电路，射频开关电路用于控制峰值放大电路的导通；其中，功率放大器的载波放大电路的末级载波放大器是采用HVHBT器件，功率放大器的峰值放大电路的末级峰值放大器是采用GaN器件。本发明避免了Doherty功放中峰值支路提前导通的缺点，降低了峰值放大器的功耗，提高了整个Doherty功放的批量效率。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更具体的，涉及一种多合体功率放大器及其实现方法。
背景技术
随着绿色环保、低碳经济理念在全球不断的推广深入人心，运营商对于无线通信系统的功耗降低的要求也越来越高。在无线通信系统中，基站设备中的射频功率放大器（简称功放）是整个系统的核心模块之一，射频功率放大器的重要指标是功放效率。数据分析表明，在整个基站设备里，功放部分的能耗占到了总体能耗的60%左右，提高功放的效率从而成为了降低基站设备功耗，降低运营商的运营成本OPEX（Operating Expense，运营成本）的最有效手段。因此，面对无线通信日益激烈的市场竞争，高效率的射频功放技术已经成为无线通信行业竞争的焦点之一。
Doherty（多合体）功放是无线通信系统目前最为广泛应用的一种高效率功放技术，它是由一位名叫William H. Doherty的美国电子工程师于1936年发明的。但是在接下来的大约三十年时间里，人们的注意力转移了。直到六十年代末期，随着通信技术，特别是卫星通信的发展，将功率放大器的效率和线性问题在一个新的历史场合重新提出，Doherty放大器又被挖掘出来，广泛应用于七十年代的通信和广播系统中。目前，Doherty功放与DPD（Digital Pre-distortion，数字预失真 ）技术结合应用，已成为无线通信系统基站高效率功放主流的构架形式。
Doherty功放的基本思想是有源负载牵引，传统的Doherty功放原理如图1所示，其主要包括推动级放大器（图中Dr1…Drn）、功率分配（图中D）、载波放大器（图中C，也称为主功放）、峰值放大器（图中P，也称为辅助功放）、功率合成电路（图中Combiner）等。其中，载波放大器工作在B类或AB类，峰值放大器工作在C类。二者分别承担不同的输入信号功率，且需尽可能的使得两部分功放都工作在各自的饱和区中，从而保证整个功放在尽量大的输入信号功率范围内都保持较高的效率，同时保证一定的线性。
Doherty功放主要包括如下三种工作状态：
小信号区。当输入信号比较小的时候，峰值放大器处于关断状态，载波放大器工作在AB类，此时，载波放大器工作在最大效率匹配状态；
负载调制区。当输入信号增大到一定程度，载波放大器逐渐由放大区向饱和区过渡，峰值放大器逐渐由截止区向放大区过渡，此时，载波放大器和峰值放大器的负载都是不稳定的，负载阻抗随功率的变化而变化；
饱和区。随着输入信号的不断增大，载波放大器和峰值放大器最终都工作在饱和状态，二者均对应着50Ω负载，输出功率相加。
运营商对通信系统的要求是功耗越低越好，效率越高越好。因此，我们必须不断寻求进一步降低功耗、提升效率的方法。而传统的Doherty功放主要存在如下缺点：
1）理论上Doherty功放的峰值放大器的功耗是非常小的，但是在实际功放中峰值放大器的功耗却占到了10%-20%。这是因为在Doherty功放中峰值放大器工作在C类，在小信号工作时峰值放大器不导通，在放大信号由小逐步变大到一定程度时，载波放大器开始出现压缩趋势，此时峰值放大器必须能正常导通工作，否则会对DPD对功放线性的改善造成影响。而C类放大器的导通是随着信号由小到大逐渐导通的，所以在实际应用中为了在载波放大器开始压缩时峰值放大器能完全导通，必须使之在更低的电平下提前导通，这样就增大了峰值放大器的功耗，从而降低了整个功放的效率。
2）现有Doherty功放的载波放大器和峰值放大器采用的都是横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）功放管，存在工作频率低、工作带宽窄、效率低、功耗高等缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种多合体功率放大器及其实现方法，避免峰值放大器提前导通时增大峰值功耗，同时提高整个峰值放大器的效率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种多合体功率放大器，其中
多合体（Doherty）功率放大器的峰值放大电路中包括射频开关电路，所述射频开关电路用于控制所述峰值放大电路的导通；
其中，所述功率放大器的载波放大电路的末级载波放大器是采用高压异质结双极晶体管（HVHBT）器件，所述功率放大器的峰值放大电路的末级峰值放大器是采用氮化镓（GaN）器件。
进一步地，所述峰值放大电路包括一路或多路峰值放大支路，其中每路所述峰值放大支路中均设置有所述射频开关电路。
进一步地，所述峰值放大支路由多级峰值放大器组成时，所述射频开关电路是设置在推动级峰值放大器与末级峰值放大器之间，用于控制所述峰值功放支路中末级峰值放大器的导通。
进一步地，所述射频开关电路包括：PIN管射频开关、或者单片微波集成电路（MMIC）射频开关。
进一步地，所述射频开关电路用于，通过以下方式控制所述末级峰值放大器的导通：
当所述峰值放大支路的输入信号增大至所述射频开关的导通电平时，所述射频开关导通，使所述末级峰值放大器导通。
进一步地，所述射频开关还包括一控制电压端，通过所述控制电压端的控制电压的大小调节所述射频开关的导通电平。
本发明还提供了一种多合体功率放大器的实现方法，所述方法包括：
在Doherty功率放大器的峰值放大电路中设置射频开关电路，控制所述峰值放大电路的导通；
其中，所述功率放大器的载波放大电路的末级载波放大器是采用HVHBT器件，所述功率放大器的峰值放大电路的末级峰值放大器是采用GaN器件。
进一步地，所述方法还包括：
所述峰值放大电路包括一路或多路峰值放大支路，其中每路所述峰值放大支路中均设置有所述射频开关电路；
所述射频开关电路包括：PIN管射频开关、或者MMIC射频开关。
进一步地，所述方法还包括：
所述峰值放大支路由多级峰值放大器组成时，所述射频开关电路是设置在推动级峰值放大器与末级峰值放大器之间，用于通过以下方式控制所述峰值功放支路中末级峰值放大器的导通：当所述峰值放大支路的输入信号增大至所述射频开关的导通电平时，所述射频开关导通，使所述末级峰值放大器导通。
进一步地，所述方法还包括：
通过所述射频开关上的控制电压端的控制电压的大小调节所述射频开关的导通电平。
与现有技术比较，本发明具有以下优点：
a）效率高。本发明避免了Doherty功放中峰值支路提前导通的缺点，降低了峰值放大器的功耗，提高了整个Doherty功放的批量效率。未使用本发明地Doherty功放中，一般峰值放大器的功耗占功放总功耗的10%-20%，使用本发明后，这一比例数值可降低到5%-10%；同时本发明中载波放大器使用HVHBT（高压异质结双极晶体管）器件，峰值放大器使用GaN（氮化镓）器件，效率均远高于LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）器件，因此整个功放的效率得到了大幅度的提升。
b）低成本。相比一些厂家使用复杂数字及射频电路来改善峰值放大器导通时间的方案，本发明大幅度降低了功放的产品成本和生产成本；HVHBT+GaN的末级放大方案相比双路GaN等方案成本要降低很多。
c）体积小。相比一些厂家使用复杂数字及射频电路来改善峰值放大器导通时间的方案，本发明占用体积要小很多。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为传统的Doherty功率放大器的示意框图；
图2为本发明方案应用于二路Doherty架构的原理框图；
图3为本发明应用于多级多路Doherty架构的原理框图；
图4为本发明应用示例中应用于UMTS 2.1GHz频段85W功放的示意框图。
具体实施方式
本发明的基本原理是：通过对Doherty功放的峰值放大支路的信号通断进行控制，减小峰值放大的功耗；同时，通过对末级功放的管型选择，进一步提升整个功放的效率。
具体地，本发明通过在Doherty的峰值放大支路中加入射频开关，当输入信号增大到合适的幅度时射频开关导通，峰值放大器才导通，避免了峰值放大器的提前导通，进而减小了峰值放大器的功耗；同时，末级功放采用HVHBT和GaN器件组合实现，能够进一步提升整个功放的效率。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，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任意组合。
图2示出了应用本发明技术方案应用于二路Doherty架构的框图。图中Pin为输入信号端口；Dr1…Drn为推动级放大器；C为载波放大器、P为峰值放大器、S为射频开关、Vc为射频开关控制电压（改变Vc的大小可以调节射频开关的导通电平）、D为功率分配电路、Combiner为功率合成电路、Pout为信号输出端口。其中，末级峰值放大器采用GaN功放管，末级载波放大器采用HVHBT功放管。
结合图2，本发明的射频开关对峰值放大器的控制过程描述如下：
当峰值放大支路的输入信号较小（低于射频开关的导通电平时）的时候，整个峰值放大支路处于关断状态，而此时整个载波放大支路是工作在最大效率匹配的AB类状态。
当峰值放大支路的输入信号增大到一定程度时，载波放大支路开始逐渐由放大区向饱和区过渡，峰值放大支路由截止区向放大区过渡，起初峰值放大器并不导通，也就并无功率消耗。而当输入峰值支路的信号达到射频开关的导通电平时，射频开关导通，峰值放大器随之完全导通。这样就避免了峰值放大器的提前导通，减小了功耗，提高了功放的效率。
此外，通过改变Vc的大小可以调节射频开关的导通电平，从而满足不同制式信号及不同峰值放大器器件的要求。
最后，随着输入信号的不断增大，最终整个载波放大支路和峰值放大支路都工作于饱和状态。
本发明技术方案应用于多路多级Doherty功放架构的示意图如图3所示。图中Pin为输入信号端口；Dr为推动级放大器；D为功率分配；C11…C1n至Cn1…Cnn构成多级Doherty功放的第一条至第n载波放大支路；P11…P1n至Pn1…Pnn构成多级Doherty功放的第一条至第n条峰值放大支路；S1…Sn为第一条至第n条峰值放大支路的射频开关电路、Vc1…Vcn为相应射频开关的控制电压（改变Vc1…Vcn的大小可以调节相应射频开关的导通电平）；Combiner为功率合成电路。其性能改善的原理与二路Doherty功放架构类似。
此外，本发明实施例中还提供了一种实现由射频开关控制峰值放大器通断的方法及Doherty功放的设计方法。例如某UMTS功放主要技术要求如下：频率范围2110MHz-2170MHz，输出功率85W，输入信号PAR7dB，增益50dB，效率42%，线性指标（包括ACPR、SEM、Out of Band Spurious等）满足标准协议要求。
具体地，应用本发明完成整个功放研发的过程主要包括以下步骤：
步骤A，确定功放架构形式。由于本功放输出功率85W，效率要求42%以上，综合考虑功放技术指标要求及现有器件状况决定整个功放采用2路Doherty架构形式（如附图2架构）。
步骤B，选定末级载波放大器（C1）和末级峰值放大器（P1）功放管型号。依据输出功率和输入信号PAR要求，选定Triquint的HVHBT功放管TG2H214120作为末级载波放大器件，选定CREE公司的GaN功放管CGH21240F作为末级峰值放大器件。
本发明中的末级载波放大器采用HVHBT功放管，末级峰值功放使用GaN器件,相较于LDMOS器件大大提高了效率，因此整个Doherty功放的效率得到大幅度的提升。
由于影响放大电路性能的主要器件是末级放大器，因此，本发明中，主要针对末级载波放大器和末级峰值放大器进行了改进。此外，当载波放大支路中包括多级载波放大器时，其中的推动级载波放大器可以采用HVHBT功放管，也可以采用LDMOS或GaN器件或其它器件；当峰值放大支路中包括多级峰值放大器时，其中的推动级峰值放大器可以采用GaN功放管，也可以采用LDMOS或HVHBT器件或其它器件。
步骤C，选定推动级器件。本例中，考虑各方面要求，选定CREE公司的CGH40045作为推动级器件，选定RFMD公司的SXA-389Z作为第一级推动放大器件。
步骤D，完成峰值放大支路的射频开关电路设计。该电路的实现包括PIN管射频开关、MMIC射频开关等多种形式，开关电路必需根据需要能够快速导通。
步骤E，完成温度补偿、环行器、耦合器等其余电路设计，最终整个功放的原理图、PCB设计。
步骤F，完成整个功放的调试及测试。
以上仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
Claims (10)
1.一种多合体功率放大器，其特征在于，
多合体（Doherty）功率放大器的峰值放大电路中包括射频开关电路，所述射频开关电路用于控制所述峰值放大电路的导通；
其中，所述功率放大器的载波放大电路的末级载波放大器是采用高压异质结双极晶体管（HVHBT）器件，所述功率放大器的峰值放大电路的末级峰值放大器是采用氮化镓（GaN）器件。
2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，
所述峰值放大电路包括一路或多路峰值放大支路，其中每路所述峰值放大支路中均设置有所述射频开关电路。
3.如权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，
所述峰值放大支路由多级峰值放大器组成时，所述射频开关电路是设置在推动级峰值放大器与末级峰值放大器之间，用于控制所述峰值功放支路中末级峰值放大器的导通。
4.如权利要求1、2或3所述的功率放大器，其特征在于，
所述射频开关电路包括：PIN管射频开关、或者单片微波集成电路（MMIC）射频开关。
5.如权利要求4所述的功率放大器，其特征在于，
所述射频开关电路用于，通过以下方式控制所述末级峰值放大器的导通：
当所述峰值放大支路的输入信号增大至所述射频开关的导通电平时，所述射频开关导通，使所述末级峰值放大器导通。
6.如权利要求5所述的功率放大器，其特征在于，
所述射频开关还包括一控制电压端，通过所述控制电压端的控制电压的大小调节所述射频开关的导通电平。
7.一种多合体功率放大器的实现方法，其特征在于，所述方法包括：
在Doherty功率放大器的峰值放大电路中设置射频开关电路，控制所述峰值放大电路的导通；
其中，所述功率放大器的载波放大电路的末级载波放大器是采用HVHBT器件，所述功率放大器的峰值放大电路的末级峰值放大器是采用GaN器件。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述峰值放大电路包括一路或多路峰值放大支路，其中每路所述峰值放大支路中均设置有所述射频开关电路；
所述射频开关电路包括：PIN管射频开关、或者MMIC射频开关。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述峰值放大支路由多级峰值放大器组成时，所述射频开关电路是设置在推动级峰值放大器与末级峰值放大器之间，用于通过以下方式控制所述峰值功放支路中末级峰值放大器的导通：当所述峰值放大支路的输入信号增大至所述射频开关的导通电平时，所述射频开关导通，使所述末级峰值放大器导通。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述射频开关上的控制电压端的控制电压的大小调节所述射频开关的导通电平。
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