CN103560754A - 基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器 - Google Patents

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汪霆雷
蒋开创
张翔
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Abstract

本发明公开一种基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器，该功率放大器包含并联连接的主功放模块与辅助功放模块，该主功放模块与辅助功放模块的输入端与输出端分别对应电路连接多尔蒂功率放大器的总输入端与总输出端；辅助功放模块输入端与总输入端之间串联连接有相移模块；主功放模块输出端与多尔蒂功率放大器总输出端之间还串联连接有紧致微带谐振单元，用于补偿辅助功放模块的相位差；紧致微带谐振单元的谐振块的输出端口电路连接有电容。本发明在将传统的多尔蒂功放中主功放的补偿线用新型的紧致微带谐振单元替代，改变CMRC的电容值实现主功放后低通通带的可调；实现功放的高线性度，加工简单，易于与其它微波电路集成。

Description

基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器
技术领域
本发明涉及微波电路设计领域，具体涉及一种基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器。
背景技术
随着CDMA和W-CDMA调制系统对线性度的严格要求，功放的线性度显得越来越重要，为了获得较高的线性度，通常功放将回退10dB左右，这将导致较低的效率。在Doherty（多尔蒂）功放方案中，同时获得较高的效率和较好的线性度比较困难的。
目前，一些传统的提高线性度的方法，例如，预失真和前馈等方法被采用，但是这些方法常常需要使用外加电路和信号处理，这将导致设计的复杂性和成本的提高，使线性化的提高受到限制。另外，为了提高Doherty功放的效率和线性度，N-路Doherty功放方案也被研究，然而，该方法也比较复杂，它的尺寸和性能在W-CDMA系统基站中的使用将受到很大的限制。Doherty功放中，辅助功放工作于C类，主要的线性失真来源于辅助功放。国外已经将复合左右手材料（CRLH-TL）和缺陷地（DGS）结构用于Doherty功放，减小辅助功放的线性失真，但是在高功率条件下的相位失真仍然不能解决。
无线通讯系统对系统线性化和小型化的不断要求，结构简单的高线性度功放将被大量需求。开展从功放内部结构入手提高功放的线性度的研究就显得非常重要。
紧致微带谐振单元（Compact Microstrip Resonant Cell，CMRC）结构具有抑制谐波和相位可调特点，该结构被广泛应用在滤波器、耦合器和混频器等微波器件中。应用CMRC技术实现高线性度Doherty功放将具有广阔的实用价值。
发明内容
本发明提供一种基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器，结构具有低通功能，容易加工，并且还能使相位可调，线性度得到改善。
为实现上述目的，本发明提供一种基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器，该功率放大器包含并联连接的主功放模块与辅助功放模块，该主功放模块与辅助功放模块的输入端与输出端分别对应电路连接多尔蒂功率放大器的总输入端与总输出端；辅助功放模块输入端与总输入端之间串联连接有相移模块；
其特点是，上述主功放模块输出端与多尔蒂功率放大器总输出端之间还串联连接有紧致微带谐振单元，用于补偿辅助功放模块的相位差；
上述紧致微带谐振单元的谐振块的输出端口电路连接有电容。
上述的紧致微带谐振单元为对称二端口网络结构。
上述的紧致微带谐振单元整个对称网络的阻抗矩阵如式所示：
          （1）
其中，Ze为输入阻抗称的偶模输入阻抗，Zo为奇模输入阻抗；
由Z矩阵于S参数矩阵（2）相互转换，得到公式（3）和（4）：
Figure 2013105754759100002DEST_PATH_IMAGE002
      （2）
Figure 319069DEST_PATH_IMAGE003
                        （3）
                （4）
其中Zc为端口阻抗。
上述多尔蒂功率放大器铺设于介质基板上，该介质基板的相对介电常数
Figure 351003DEST_PATH_IMAGE005
范围为2至5之间；损耗角正切≤10-3；厚度h为0.8毫米。
上述紧致微带谐振单元的输入端和输出端电路连接有匹配阻抗。
上述相移模块具有90°相移。
本发明基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器和现有技术功率放大器相比，其优点在于，本发明在将传统的多尔蒂（Doherty）功放中主功放的90o补偿线用新型的紧致微带谐振单元（CMRC）替代，实现高线性的Doherty功放；通过改变新型加载电容的CMRC的电容值和内部结构，实现主功放后低通通带的可调，同时实现对辅助功放的相位补偿；从电路内部结构出发，不需要外加其它复杂电路，实现功放的高线性度，加工简单，易于与其它微波电路集成，具有很强的实用性及应用前景。
附图说明
图1为本发明基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器的电路图；
图2为本发明基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器的紧致微带谐振单元结构图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明公开一种基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器，该功率放大器包含并联连接的主功放模块1与辅助功放模块2，该主功放模块1与辅助功放模块2的输入端与输出端分别对应电路连接多尔蒂功率放大器的总输入端与总输出端；辅助功放模块2输入端与总输入端之间串联连接有相移模块3。其中相移模块3具有90°相移，使主功放模块1与辅助功放模块2并联的两路之间具有90°的相位差。
本发明基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器中采用紧致微带谐振单元（CMRC）4替代主功放模块1的90°补偿线，通过CMRC结构和加载的电容补偿辅助功放的90°相位差，使主功放输出相位延迟90o，正好补偿辅助功放的90o延迟，实现Doherty功放的特性；同时实现采用CMRC结构抑制主功放输出的二次和更高次谐波分量。该紧致微带谐振单元4串联连接于主功放模块1输出端与多尔蒂功率放大器总输出端之间。
紧致微带谐振单元4的输入端和输出端电路连接有匹配阻抗。加载电容CMRC结构端口阻抗与匹配短截线一起进行匹配优化设计，其特性阻抗可以根据设计需要为50
Figure 2013105754759100002DEST_PATH_IMAGE007
或其它阻抗值。
该基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器铺设在介质基板上，该介质基板的相对介电常数
Figure 173641DEST_PATH_IMAGE005
范围为2至5之间；损耗角正切≤10-3。由于Doherty功放主要工作在2~3GHz左右，则更大的
Figure 59744DEST_PATH_IMAGE006
值也可以。介质板厚度h的选择主要保证移相器性能，同时考虑便于与其它电路集成，取h为0.8毫米左右。
如图2所示，紧致微带谐振单元4的谐振块的输出端口电路连接有电容41。通过改变加载CMRC结构上的电容值来补偿在高功率输入条件下，辅助功放（C类）的AM-PM失真。
为了使主功放输出的相位可调，在CMRC结构中加载了电容41，电容41加载在谐振块的输出端口，改变电容值的大小，主功放的输出相位即可进行调整。但是加载电容不能影响CMRC的性能，根据仿真结果，谐振块间隙越细和电容值较小时，阻带特性越好，设计时要兼顾电路的其它指标，合理进行设计。
紧致微带谐振单元4为一对成结构，即对称二端口网络结构。该紧致微带谐振单元4结构的长度为l，宽度为w。在CMRC结构中，谐振块长度为l 1，传输线宽度为S 2，传输线间隙S 3，谐振块间隙S 1。
利用CMRC结构的电磁带隙特性和慢波效应，得到偶模零、极点截止频率。其偶模零、极点截止频率由公式得
Figure 2013105754759100002DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 2013105754759100002DEST_PATH_IMAGE009
为偶模输入阻抗频率相应的零点；
Figure 2013105754759100002DEST_PATH_IMAGE010
为极点；偶模等效并联电感；偶模等效并联电容；
Figure 2013105754759100002DEST_PATH_IMAGE013
偶模等效并联电容。
奇模通过相似方法得到，奇偶模输入阻抗的两个交点即为CMRC阻带的两个传输零点，进一步得到CMRC的截止频率。
改变紧致微带谐振单元4输出端口加载的电容，可以改变CMRC的慢波特性，调整阻带。
可采用奇偶模激励分析法对紧致微带谐振单元4进行建模。紧致微带谐振单元4整个对称网络的阻抗矩阵如式（1）所示：
Figure 955805DEST_PATH_IMAGE001
          （1）
其中，Ze为输入阻抗称的偶模输入阻抗，Zo为奇模输入阻抗；
由Z矩阵于S参数矩阵（2）相互转换，得到公式（3）和（4）：
Figure 528607DEST_PATH_IMAGE002
      （2）
                        （3）
Figure 443047DEST_PATH_IMAGE004
                （4）
其中Zc为端口阻抗。
S参数可通过初值，由电磁场仿真得到结果。
当通带中心频率是2.4GHz左右，介质基板均采用RO4003介质，介电常数3.38，厚度为0.813mm，损耗角正切0.0027。确定CMRC结构的内部参数初值分别是，l=14.2mm，l1=12.2mm，S1 =S2=S3=0.2mm。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器，该功率放大器包含并联连接的主功放模块（1）与辅助功放模块（2），该主功放模块（1）与辅助功放模块（2）的输入端与输出端分别对应电路连接多尔蒂功率放大器的总输入端与总输出端；辅助功放模块（2）输入端与总输入端之间串联连接有相移模块（3）；
其特征在于，所述主功放模块（1）输出端与多尔蒂功率放大器总输出端之间还串联连接有紧致微带谐振单元（4），用于补偿辅助功放模块（2）的相位差；
所述紧致微带谐振单元（4）的谐振块的输出端口电路连接有电容。
2.如权利要求1所述的基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述的紧致微带谐振单元（4）为对称二端口网络结构。
3.如权利要求1所述的基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述的紧致微带谐振单元（4）整个对称网络的阻抗矩阵如式（1）所示：
          （1）
其中，Ze为输入阻抗称的偶模输入阻抗，Zo为奇模输入阻抗；
由Z矩阵于S参数矩阵（2）相互转换，得到公式（3）和（4）：
      （2）
Figure 2013105754759100001DEST_PATH_IMAGE003
                        （3）
Figure 229476DEST_PATH_IMAGE004
                （4）
其中Zc为端口阻抗。
4.如权利要求1所述的基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述多尔蒂功率放大器铺设于介质基板上，该介质基板的相对介电常数
Figure 2013105754759100001DEST_PATH_IMAGE005
范围为2至5之间；损耗角正切
Figure 217024DEST_PATH_IMAGE006
≤10-3；厚度h为0.8毫米。
5.如权利要求1所述的基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述紧致微带谐振单元（4）的输入端和输出端电路连接有匹配阻抗。
6.如权利要求1所述的基于紧致微带谐振单元结构的高线性度多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述相移模块（3）具有90°相移。
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