CN103066923A - 一种四阶双平衡式功率放大电路 - Google Patents

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陈俊
苏凯雄
庄丽静
陈伟强
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Abstract

本发明涉及功率放大电路设计技术领域，特别是一种四阶双平衡式功率放大电路，功率放大电路为四阶结构，功放输入端与第一功分器相连接，第一功分器的输出两路分别接第二、第三功分器的输入端；第二功分器的输出一路依次串接90°相位变换电路、主功放和阻抗变换Z01，另一路依次串接第一从功放、阻抗变换Z02和阻抗变换Z03，而后两路汇合，经阻抗变换Z0接至功放输出端；第三功分器的输出一路依次串接另一90°相位变换电路和第二从功放，而后接至所述阻抗变换Z02和Z03之间，另一路依次串接180°相位变换电路和第三从功放，而后接至所述阻抗变换Z0前，以经Z0接至功放输出端。该功率放大电路有利于提高功放效率。

Description

一种四阶双平衡式功率放大电路
技术领域
本发明涉及功率放大电路设计技术领域，特别是一种四阶双平衡式功率放大电路。
背景技术
近年来，社会信息化、传输网络化、内容多样化、终端移动化、运营商业化的不断发展，促进了高速移动通信系统和宽带多媒体广播系统的快速更替与发展。随着无线传输信号带宽的不断增大，无线信道固有的频率选择性衰落和窄带干扰成为影响无线传输效果的主要因素。
在采用OFDM调制方式的系统中，其PAPR高于目前其它移动通信系统（PAPR超过12dB的概率可达1%），而目前较为成熟的二阶和三阶Doherty功放的峰值效率范围仅分别为6dB和9dB，不能满足要求。
传统二阶Doherty功放电路结构，如图1所示。传统Doherty功率放大器结构由2个功放组成：一个主功放，一个辅助功放，主功放工作在B类或者AB类，辅助功放工作在C类。两个功放不是轮流工作，而是主功放一直工作，辅助功放到设定的峰值才工作（这个功放也叫做peak amplifier）。主功放后面的90°四分之一波长线是阻抗变换，目的是在辅助功放工作时，起到将主功放的视在阻抗减小的作用，保证辅助功放工作的时候和后面的电路组成的有源负载阻抗变低，这样主功放输出电流就变大。由于主功放后面有了四分之一波长线，为了使两个功放输出同相，在辅助功放前面也需要90°相移。
传统的三路Doherty电路如图2所示，理论上该电路在一定的功率回退范围内有3个效率峰值点，但其存在的问题是：当输出功率达到一定水平时，主功放的负载调制作用中断而处于深度饱和状态，从而引起严重的线性问题。同时，当所选器件功率比为1:1:1时，第一个效率峰值点出现的位置同两路对称Doherty一样，在回退6dB处时，该结构并不能拓宽高效率的范围，只是在回退6dB的范围内进一步改善效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种四阶双平衡式功率放大电路，该功率放大电路有利于提高功放效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种四阶双平衡式功率放大电路，所述功率放大电路为四阶结构，功放输入端与第一功分器的输入端相连接，所述第一功分器的输出一路接至第二功分器的输入端，另一路接至第三功分器的输入端；
所述第二功分器的输出一路依次串接90°相位变换电路、主功放和阻抗变换电路Z01，另一路依次串接第一从功放、阻抗变换电路Z02和阻抗变换电路Z03，而后两路汇合，经阻抗变换电路Z0接至功放输出端；
所述第三功分器的输出一路依次串接另一90°相位变换电路和第二从功放，而后接至所述阻抗变换电路Z02和阻抗变换电路Z03之间；所述第三功分器的输出另一路依次串接180°相位变换电路和第三从功放，而后接至所述阻抗变换电路Z0前，以经所述阻抗变换电路Z0接至功放输出端。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
1、在输入端可以用3个90度的3dB电桥进行设计，缩小电路面积；
2、进一步提高效率，可以在功率回退12dB时，效率首先达到峰值，并且有4个效率峰值点，不管在低功率还是在高功率时，跟三路相比，都能进一步提高效率；
3、现在的大功率管子通常都是对管结构，因此用三路结构不方便设计，而采用四路结构，用两个对管就能方便设计。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是现有技术中二阶Doherty功放电路结构图。
图2是现有技术中三路Doherty功放电路结构图。
图3是本发明实施例的电路结构图。
图4是本发明实施例效率与输出功率关系图。
图5是本发明实施例仿真结果示意图。
具体实施方式
本发明四阶双平衡式功率放大电路，如图3所示，所述功率放大电路为四阶结构，功放输入端与第一功分器的输入端相连接，所述第一功分器的输出一路接至第二功分器的输入端，另一路接至第三功分器的输入端；
所述第二功分器的输出一路依次串接90°相位变换电路、主功放和阻抗变换电路Z01，另一路依次串接第一从功放、阻抗变换电路Z02和阻抗变换电路Z03，而后两路汇合，经阻抗变换电路Z0接至功放输出端；
所述第三功分器的输出一路依次串接另一90°相位变换电路和第二从功放，而后接至所述阻抗变换电路Z02和阻抗变换电路Z03之间；所述第三功分器的输出另一路依次串接180°相位变换电路和第三从功放，而后接至所述阻抗变换电路Z0前，以经所述阻抗变换电路Z0接至功放输出端。
下面对本发明四阶双平衡式功率放大电路的工作原理作进一步的说明。
首先对下述分析中会出现的符号进行说明：
Figure 201210587936X100002DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 201210587936X100002DEST_PATH_IMAGE004
、、
Figure 201210587936X100002DEST_PATH_IMAGE008
：主功放、从功放1、从功放2、从功放3的工作电压
Figure 201210587936X100002DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 201210587936X100002DEST_PATH_IMAGE012
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE016
：主功放、从功放1、从功放2、从功放3的工作电压
Figure DEST_PATH_IMAGE018
：功放输出电压
：功放的饱和电压
Figure DEST_PATH_IMAGE022
：各段
Figure DEST_PATH_IMAGE024
变换线的特性阻抗
：传输线的阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE028
：主功放功率（
Figure DEST_PATH_IMAGE030
）与总功率（
Figure DEST_PATH_IMAGE032
）比
：峰值功放1和峰值功放2功率和功率（
Figure DEST_PATH_IMAGE036
+）与峰值功放1、峰值功放2功率和峰值功放3之和（
Figure 551525DEST_PATH_IMAGE036
++
Figure DEST_PATH_IMAGE040
）之比
Figure DEST_PATH_IMAGE042
：峰值功放1功率（
Figure 310720DEST_PATH_IMAGE036
）与峰值功放1和峰值功放2功率和（
Figure 705929DEST_PATH_IMAGE036
+
Figure 333351DEST_PATH_IMAGE038
）之比
Figure DEST_PATH_IMAGE044
：功放效率
1、峰值功率时
有
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，  ，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
 ，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
设
Figure DEST_PATH_IMAGE054
Figure DEST_PATH_IMAGE056
（1）
同理，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
Figure DEST_PATH_IMAGE064
Figure DEST_PATH_IMAGE066
设
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为主功放功率（
Figure DEST_PATH_IMAGE070
）与总功率（）比，则有
Figure DEST_PATH_IMAGE074
所以
Figure DEST_PATH_IMAGE076
，由（1）得
同理可得，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，
Figure DEST_PATH_IMAGE082
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE084
为峰值功放1功率（）与峰值功放1和峰值功放2功率和（
Figure 847158DEST_PATH_IMAGE086
+）之比，
Figure 114192DEST_PATH_IMAGE034
为峰值功放1和峰值功放2功率和功率（
Figure 126141DEST_PATH_IMAGE086
+
Figure 795020DEST_PATH_IMAGE088
）与峰值功放1、峰值功放2功率和峰值功放3之和（
Figure 788384DEST_PATH_IMAGE086
+
Figure 542713DEST_PATH_IMAGE088
+
Figure DEST_PATH_IMAGE090
）之比。 
又
Figure DEST_PATH_IMAGE092
Figure DEST_PATH_IMAGE096
Figure DEST_PATH_IMAGE098
2、低功率，只有主功放工作时
假设传输线无耗，由功率守恒有
Figure DEST_PATH_IMAGE100
又
Figure DEST_PATH_IMAGE102
Figure DEST_PATH_IMAGE104
以B类功放计算，
Figure DEST_PATH_IMAGE106
Figure DEST_PATH_IMAGE108
当
Figure DEST_PATH_IMAGE110
时，主功放达电压饱和，此时
Figure DEST_PATH_IMAGE112
即
Figure DEST_PATH_IMAGE114
3、主功放电压饱和，辅助功放1开启时
有
Figure 30457DEST_PATH_IMAGE110
，
Figure DEST_PATH_IMAGE118
Figure DEST_PATH_IMAGE120
Figure DEST_PATH_IMAGE124
当
Figure DEST_PATH_IMAGE126
时，峰值功放1也达电压饱和，此时
Figure DEST_PATH_IMAGE128
4、主功放和辅助功放1电压饱和，辅助功放2开启时
有
Figure DEST_PATH_IMAGE132
；
Figure DEST_PATH_IMAGE134
Figure DEST_PATH_IMAGE136
Figure DEST_PATH_IMAGE138
当时，峰值功放2也达电压饱和，即
Figure DEST_PATH_IMAGE142
，
此时
Figure DEST_PATH_IMAGE144
5、主功放和辅助功放1、2电压饱和，辅助功放3开启时
有
Figure DEST_PATH_IMAGE146
Figure DEST_PATH_IMAGE148
Figure 177011DEST_PATH_IMAGE132
；
Figure DEST_PATH_IMAGE154
Figure DEST_PATH_IMAGE156
Figure DEST_PATH_IMAGE158
Figure DEST_PATH_IMAGE160
综上，四路Doherty的效率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE162
本发明效率与输出功率关系如图4所示。
为了验证本发明四阶Doherty功率放大电路的性能，采用了基于飞思卡尔LDMOS MRF6P3450大信号模型的功率放大器模块，利用ADS软件进行模拟仿真。Doherty PA 应用在DVB-T应用系统中UHF波段。根据所选择的
Figure 669173DEST_PATH_IMAGE068
=1/4、
Figure DEST_PATH_IMAGE164
=1/2 、=2/3，以及各路输入信号的功率比为1：1：1：1，选择
Figure DEST_PATH_IMAGE168
=200Ω，
Figure DEST_PATH_IMAGE170
=200Ω，=100Ω，其中R0=50Ω为l/4波长传输线的特性阻抗。仿真结果如图5所示，其中当使用四路均衡信号模式且输出功率为300W时输出效率可达到52%。该四阶Doherty功率放大器在使用64QAM调制信号时的可测P1dB为59dBm， 并且功率回退6dB (53dBm)时效率为34%。在53dBm时ACPR和MER所获得的输出功率分别为31dB和28dB。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种四阶双平衡式功率放大电路，其特征在于：所述功率放大电路为四阶结构，功放输入端与第一功分器的输入端相连接，所述第一功分器的输出一路接至第二功分器的输入端，另一路接至第三功分器的输入端；
所述第二功分器的输出一路依次串接90°相位变换电路、主功放和阻抗变换电路Z01，另一路依次串接第一从功放、阻抗变换电路Z02和阻抗变换电路Z03，而后两路汇合，经阻抗变换电路Z0接至功放输出端；
所述第三功分器的输出一路依次串接另一90°相位变换电路和第二从功放，而后接至所述阻抗变换电路Z02和阻抗变换电路Z03之间；所述第三功分器的输出另一路依次串接180°相位变换电路和第三从功放，而后接至所述阻抗变换电路Z0前，以经所述阻抗变换电路Z0接至功放输出端。
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