CN105245192A - 一种多尔蒂功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多尔蒂功率放大器，包括电路板以及安装在电路板上的不等分功率分配器，前置延迟线，多个输入匹配电路，至少一个载波放大器，至少一个峰值放大器，多个输出匹配电路，恒流偏置装置和补偿线。本发明可以同时解决功放的效率和线性度这两个问题。其采用Doherty功放的内部线性技术，使得Doherty功率放大器在拥有高效率的同时，线性度可以优于AB类功率放大器，且所采用的电路板材质具有较好的耐腐蚀、阻燃、韧性和稳定性。

Description

一种多尔蒂功率放大器

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种多尔蒂功率放大器

背景技术

Doherty技术在1936年由Doherty提出，Doherty技术是目前提高功率放大器效率的一种常用技术，通过控制两个功率放大器(主放大器和辅助放大器)在不同的功率级的导通与否来获得较高的总效率，Doherty技术实现简单，具有较好的宽带特性，成为最通用的效率增强技术之一。Doherty放大器的线性特征完全由载波放大器决定，峰值放大器和载波放大器要采用适当的栅极偏置来产生谐波对消改善Doherty放大器的线性特性。

早期的Doherty功率放大器的线性度都是非常差的，应用场合不多。近年来，由于业界对效率的重视不断提高，Doherty功放得到了空前关注，其性能已经得到明显改进。Doherty功率放大器的基本思想是利用一对放大器的并行组合来对信号进行放大，其中一个放大器工作于AB类，另一个放大器工作于C类，C类放大器只有在峰值到来时才导通，在相同的功率输出能力下，Doherty功率放大器的静态偏置电流只有AB类平衡功率放大器的一半，因而大大提高了系统的效率。在6dB功率回退点附近，Doherty技术可以将功放的效率提高到40％以上，而普通的AB类功放的相应效率只有25％左右，Doherty功率放大器比普通AB类功放提高15％左右。

由于Doherty功率放大器中的峰值放大器工作在C类，导致Doherty功放的线性度较差，其IMD3及ACLR一般在-30dBc左右。目前，利用衍生抑制叠加技术(DerivateSuperpositionTechnique，DST)，Doherty功放在线性度研究方面已经有了一定改善，但其方法尚不完善，线性度还不是很好。

因此，希望可以提出一种实现高效率、解决线性化问题的Doherty功率放大器。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种多尔蒂功率放大器，可以同时解决功放的效率和线性度这两个问题。其采用Doherty功放的内部线性技术，使得Doherty功率放大器在拥有高效率的同时，线性度可以优于AB类功率放大器，且所采用的电路板材质具有较好的耐腐蚀、阻燃、韧性和稳定性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种多尔蒂功率放大器，包括电路板以及安装在电路板上的

不等分功率分配器，其输出端包括0度输出端与90度输出端，其输入端用于接收射频输入信号，其隔离端与第一负载相连；

前置延迟线，用于调整不等分功分器0度输出端所输出的信号的相位；

多个输入匹配电路，用于匹配功率放大器的输入阻抗至50欧姆；

至少一个载波放大器，用于接收和放大经过前置延迟线调整过的输出信号；

至少一个峰值放大器，用于接收和放大不等分功分器90度输出端输出的信号；

多个输出匹配电路，用于匹配功率放大器的输出阻抗至50欧姆；

恒流偏置装置，用于跟踪载波放大器的温度和反馈功率放大器的电压信号，并将电压信号供给峰值放大器的栅极作为偏置电压；

补偿线，用于防止载波放大器的输出功率泄露到峰值放大器的输出匹配电路上。

优选地，所述的载波放大器和峰值放大器，采用LDMOS管、GaAs管、GaN管或电子管功率放大器件。

优选地，所述0度输出端和90度输出端所输出的信号能量不相等。

优选地，所述电路板由基材以及附在基材表面的铜箔构成，基材以下重量份的原料制备而成：

PC树脂27～73份、ABS树脂17～27份、无机纳米粒子1～10份、耐化学品改性剂0.5～5份、耐热剂5～15份、阻燃协效剂1～3份、溴系阻燃剂3～15份、季戊四醇硬脂酸酯0.1～2份、硅酮粉0.1～2份、聚乙烯蜡0.1～3份、四[β-(3，5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.1～2份、二缩三乙二醇双[β-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯]0.1～2份。

优选地，所述耐化学品改性剂为全氟烷基的丙烯酸系添加剂，分子量为1100-9000，可以为液体或固体形态存在。

优选地，所述无机纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米蒙脱土中的一种或两种的混合。

优选地，所述的阻燃协效剂为硼酸锌、三氧化二锑、五氧化二锑、锑酸钠和氧化钼中的一种或两种按1∶1的质量比混合所得的混合物；所述的溴系阻燃剂为四溴双酚A，十溴二苯乙烷、2，4，6～三溴三苯氧基～1，3，5～三嗪中的一种或两种按1∶1的质量比混合所得的混合物。

优选地，所述的热稳定剂为稀土热稳定剂和有机锡类热稳定剂按质量比2∶3混合所得。

其中，所述的载波放大器依据与峰值放大器的输出信号最有效的互调分量对消进行设计；互调对消是指通过控制偏置电压和添加前置延迟线，调整所述放大器的互调分量的相位，实现所述载波放大器和峰值放大器的三阶互调分量对消；功率放大器的偏置电压、相位补偿度、功率分配比和补偿线的长度根据所述功率放大器的效率和线性度的最佳结合点来确定。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明提供的高效率功放大大降低能源消耗，对节能环保产生巨大作用，社会价值明显，节省了运营成本；

2)不依赖任何外加线性化方法，如前馈技术、预失真技术、反馈技术等，有效克服传统的Doherty功率放大器线性度差的缺点，同时解决功放的效率和线性度这两个问题。

3)本发明提出的内部线性化技术可在幅度内提高功放的线性度，省去昂贵的外部线性化方法(如数字预失真、前馈技术等)，节省了使用者的硬件投入成本。

4)对高峰均比信号的功率放大具有明显优势，如W-CDMA，TD-SCDMA，CDMA2000，OFDM信号等。

5)所采用的电路板材质具有较好的耐腐蚀、阻燃、韧性和稳定性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例Doherty功率放大器的结构图；

图2为本发明实施例Doherty功率放大器在不同偏置电压下的三阶互调分量的输出仿真效果图；

图3为本发明实施例Doherty功率放大器的恒流偏置电路的简图；

图4为本发明实施例Doherty功率放大器在不同驱动功率下的三阶互调输出仿真效果图；

图5为本发明实施例Doherty功率放大器在不同驱动功率下载波输出仿真效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种多尔蒂功率放大器，包括电路板以及安装在电路板上的

不等分功分器101，其输入端用于接收射频输入信号，隔离端与第一负载相连，输出端包括0度输出端与90度输出端，其中0度输出端和90度输出端所输出的信号能量不相等。

具体地，为实现Doherty功率放大器的最优线性度和效率的结合，对载波放大器和峰值放大器的驱动功率分配比进行优化仿真分析，确定合适的功率分配比，采用不等分功率分配器(简称“不等分功分器”)101来实现。不等分功分器，是将一路输入信号分成两路或多路输出不相等能量的器件。本实施例中，不等分功分器将输入信号按照一定比例分配到载波放大器和峰值放大器，能可以适当提高Doherty功率放大器的功率。

前置延迟线102，用于调整不等分功分器0度输出端所输出的信号的相位。

具体地，由于不同偏置电压下各放大器对信号的时延不等，为保证不同路信号的有效结合，在载波放大器的输入端前，添加前置延迟线，通过调整前置延迟线的长度，即相当于改变载波放大器和峰值放大器的输出信号的结合相位，使得载波放大器输出信号的三阶互调与峰值放大器的输出信号的三阶互调有较好的对消效果，以优化内部线性化性能，并使得Doherty功率放大器输出的效率达到最优化。其中，三阶互调(ThirdOrderIntermodulation或3rdOrderIMD)是指当两个信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍(混频)后所产生的寄生信号。

多个输入匹配电路103，用于匹配功率放大器的输入阻抗到50欧姆。

至少一个载波放大器104，用于匹配功率放大器的输入阻抗到50欧姆。

所述电路板由基材以及附在基材表面的铜箔构成，基材以下重量份的原料制备而成：

PC树脂27～73份、ABS树脂17～27份、无机纳米粒子1～10份、耐化学品改性剂0.5～5份、耐热剂5～15份、阻燃协效剂1～3份、溴系阻燃剂3～15份、季戊四醇硬脂酸酯0.1～2份、硅酮粉0.1～2份、聚乙烯蜡0.1～3份、四[β-(3，5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.1～2份、二缩三乙二醇双[β-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯]0.1～2份。

所述耐化学品改性剂为全氟烷基的丙烯酸系添加剂，分子量为1100-9000，可以为液体或固体形态存在。

所述无机纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米蒙脱土中的一种或两种的混合。

所述的阻燃协效剂为硼酸锌、三氧化二锑、五氧化二锑、锑酸钠和氧化钼中的一种或两种按1∶1的质量比混合所得的混合物；所述的溴系阻燃剂为四溴双酚A，十溴二苯乙烷、2，4，6～三溴三苯氧基～1，3，5～三嗪中的一种或两种按1∶1的质量比混合所得的混合物。

所述的热稳定剂为稀土热稳定剂和有机锡类热稳定剂按质量比2∶3混合所得。

还包括补偿线108，用于防止载波放大器的输出功率泄露到峰值放大器的输出匹配电路上。

具体地，通过分析Doherty功率放大器的矢量信号，并依据与下文所提及的峰值放大器的最有效互调对消来设计载波放大器。通常，各类放大器的输出信号为线性放大信号和误差信号的结合。通过分析矢量信号，可以看出Doherty功率放大器的互调分量的相位和幅度随偏置电压的改变而改变的情况，如此，可以为互调对消提供依据。具体的计算过程为：

设双音输入信号为：

V_m＝V₀cos(w₁t)+V₀cos(w₂t)(1)

经过Doherty功率放大器后的三阶互调分量的幅度可表示为：

$V_{out}(2{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)=\left(\frac{3}{4}{V}_0^3{x}_3+\frac{25}{8}{V}_0^5{x}_5\right)+j\left(\frac{3}{4}{V}_0^3{y}_3+\frac{25}{8}{V}_0^5{y}_5\right)---\left(2\right)$

相位可表示为：

${\mathrm{\φ}}_{out}(2{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)=atan\left(\frac{\frac{3}{4}{V}_0^3{y}_3+\frac{25}{8}{V}_0^5{y}_5}{\frac{3}{4}{V}_0^3{x}_3+\frac{25}{8}{V}_0^5{x}_5}\right)---\left(3\right)$

其中x_n与y_n为Taylor系数，根据Doherty功率放大器的自身特性和其偏置电压共同决定。因而可以通过选取合适的载波放大器和峰值放大器的偏置电压，使两路互调信号的相位相反，从而进行有效对消，但满足相位相反时幅度不能相等，因而不能被全部对消，但根据(2)、(3)两式可以选取出幅度和相位的最佳结合点，进行最大限度的对消。并且，在不同的驱动功率下，根据(2)式和(3)式所得到的三阶互调分量的幅度和相位的关系是不变的，因此，在具体点的驱动功率做好互调对消后，在较大的功率范围内都能进行有效的对消。

根据上述计算公式，对Doherty功率放大器进行建模仿真，查看不同偏置电压下输出各阶互调分量。参照图2，图2为根据本发明的Doherty功率放大器在不同偏置电压下的三阶互调分量的输出仿真效果图。，以下进行详细描述。

从图2可以看到，随着各类放大器栅极偏置电压的改变，各类放大器三阶互调分量的幅度和相位发生显著变化，其中，选取图2中的m1点电压作为峰值放大器的栅极偏置电压，选取m2点电压作为载波放大器的栅极偏置电压，依据矢量合成法则，输出合成的三阶互调为m3点，该幅度小于峰值放大器的m1点和载波放大器的m2点，达到了互调对消的目的。由上，载波放大器的设计根据与峰值放大器的最有效的互调对消进行设计，而不根据单个载波放大器的最优化进行设计。

至少一个峰值放大器105，用于接收和放大不等分功分器90度输出端输出的信号。其中，峰值放大器与载波放大器并联配置，共同运作成Doherty功率放大器。

多个输出匹配电路106，用于匹配功率放大器的输出阻抗到50欧姆。

恒流偏置装置107，用于跟踪载波放大器的温度和反馈功率放大器的电压信号，并将电压信号供给峰值放大器的栅极作为偏置电压。

具体地，为保证Doherty功率放大器在不同的环境温度下，静态电流保持不变，实现性能的稳定，对该放大器还设计了恒流偏置电路107。恒流偏置电路，根据功放内部温度的变化自动调节栅极的偏置电压，保证静态偏置电流的稳定。通常，在恒定的栅压下，Doherty功率放大器的静态电流随着温度的升高而增大，从而影响Doherty功率放大器的性能。如图3所示，在恒流偏置电路中，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，当外部温度升高时，由于BJT管的输出电流随温度升高而增加，受限流电阻R3的影响，其集电极的电位被拉低，从而使得可调电位器RT1、RT2的输入电位被拉低，这样功率管的栅压跟着被拉低，功率管的静态电流维持不变。即用降低的栅压弥补温度升高所带来的偏置电流的变化，同理，温度降低时，将栅压升高，功率放大器的静态电流仍能维持不变。因此，只要BJT管对温度变化引起的电流波动保持合适的放大系数，即通过图3中的R1和R2来调整电流放大系数，功率放大器总能保持恒定的静态偏置电流。

具体地，为保证峰值放大器未导通或导通角非常小的时候，载波放大器的输出功率不会泄露到峰值放大器的输出匹配电流，在峰值放大器和载波放大器的输出匹配电路上分别添加补偿线。

一般地，为保证小信号状态下(峰值放大器未导通时)峰值放大器的输出匹配电路对载波放大器的输出有足够的隔离度，即在小信号状态下，使从B点(如图1所示)往峰值放大器方向的视在阻抗达到最大，以防止输出信号能量尽可能少地泄露到阻抗高的一方，进而使得负载得到最大的输出功率。通常，小信号状态下，载波放大器的等效负载为25欧姆，输出信号能量按反阻抗的反比例分配到负载和载波放大器的输出匹配电路。因此，在输出匹配电路上添加的补偿线，可以保证峰值放大器的匹配电路对载波放大器输出无影响。

根据Doherty功率放大器的相关参量可根据该装置的效率和线性度的最佳结合点来设计，包括偏置电压、相位补偿度、功率分配比和补偿线的长度。

本实施例的Doherty功率放大器，在整个功率动态范围内能实现互设调分量的有效对消和载波信号的有效结合，达到高效率、高线性度的目的。在实现最优的线性度和效率的结合方面，通过对载波放大器和峰值放大器的驱动功率分配器比进行优化仿真分析，以确定合适的功率分配比，而该功率分配比可以通过不等分功分器来实现。本实施例的Doherty功率放大器的整体效果可通过对其功率进行扫描来查看。

如图4所示，Doherty功率放大器工作在驱动功率为0～30dBm动态范围下，在该仿真的动态范围内，具有一定的对消效果，而且，不同的驱动功率下对消效果并非一致。图4中所示的m2点所在线为载波放大器的三阶互调的输出曲线，m3点所在线为峰值放大器的三阶互调的输出曲线，而m1点所在线为合成的三阶互调的输出曲线。由此可见，m1所在线对应的点的幅度要小于m2和m3所在线对应点的幅度，这说明在0～30dbm的输入功率的动态范围内，最终输出的三阶互调都有对消效果。特别是，在对应的功率点，三阶互调分量相位差接近180度，幅度相近，因而被有效对消。

实际应用中，可以取输出的最大功率点作为互调对消的调试点。为使Doherty功率放大器在整个功率动态范围内达到最佳的对消效果，对放大器的输入功率或输出功率进行检波跟踪，利用检波电平实时地调整载波放大器和峰值放大器的栅极偏置电压。

如图5所示，在0-30dbm的驱动功率动态范围内，m2点所在线为载波放大器的载波信号输出曲线，m3点所在线为峰值放大器载波信号的输出曲线，而m1点所在线为合成的载波信号的输出曲线，由此看出，在仿真的功率动态范围内，载波放大器和峰值放大器输出的载波信号的相位波动很小(不超过2度)，因而载波功率能有效的合成，这保证了在整个功率动态范围内，Doherty功率放大器具有较高的效率。

一般地，功率放大器输出的载波信号成分，是线性放大信号部分，因此驱动功率的变化几乎不影响载波信号的相位，只对载波信号的幅度产生影响。而上文中的矢量信号分析包括对误差信号成分和载波信号成分的分析，见于附图的图2、图4和图5。

本发明所采用的各类放大器，包括载波放大器和峰值放大器，在选择芯片上，首选效率高、线性度好的功率放大器，如LDMOS管和GaN管，而且所选择的峰值放大器要求承受较高的负栅压，这是因为当较大驱动信号的波谷到达时，峰值放大器的栅极得到的是负压。因此，现有技术中对功率放大器的负栅承受能力也进行了优化，以满足Doherty功率放大器的设计需要。通常，功率放大器的负栅压承受能力满足下式：

V_P-＜V_RF-+V_GS

其中，VP-为峰值放大器所能承受的负栅压，VRF-为最大驱动信号的波谷电压，VGS为峰值放大器的静态栅极偏置电压。

综上，本发明主要通过采用内部线性化技术实现了功率放大器的线性度问题，主要体现在两个方面：(1)通过调整峰值放大器和载波放大器的栅极的静态偏置电压，使峰值放大器和载波放大器输出的三阶互调分量在幅度上相近，相位上接近相反；(2)通过添加前置延迟线对三阶互调分量的相位进行调整，以同时保证放大器的效率和三阶互调分量的相位接近相反。

当然，本发明所采用的Doherty功率放大器，包括现有技术中所涉及的Doherty功率放大器的基本结构，例如，图1中所示的参数λ/435Ohm，是指λ/4、35欧姆阻抗变换线，主要用于在Doherty功率放大器工作过程中完成阻抗变换作用，即在驱动功率由小到大的过程中，受λ/4、35欧姆阻抗变换线的影响，载波放大器的等效输出阻抗由25欧姆逐渐变化到50欧姆；峰值放大器的等效输出阻抗逐渐由无穷大变化到50欧姆(理论值)，它是Doherty功率放大器的基本结构之一。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多尔蒂功率放大器，其特征在于，包括电路板以及安装在电路板上的

不等分功率分配器，其输出端包括0度输出端与90度输出端，其输入端用于接收射频输入信号，其隔离端与第一负载相连；

前置延迟线，用于调整不等分功分器0度输出端所输出的信号的相位；

多个输入匹配电路，用于匹配功率放大器的输入阻抗至50欧姆；

至少一个载波放大器，用于接收和放大经过前置延迟线调整过的输出信号；

至少一个峰值放大器，用于接收和放大不等分功分器90度输出端输出的信号；

多个输出匹配电路，用于匹配功率放大器的输出阻抗至50欧姆；

恒流偏置装置，用于跟踪载波放大器的温度和反馈功率放大器的电压信号，并将电压信号供给峰值放大器的栅极作为偏置电压；

补偿线，用于防止载波放大器的输出功率泄露到峰值放大器的输出匹配电路上。

2.根据权利要求1所述的一种多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述的载波放大器和峰值放大器，采用LDMOS管、GaAs管、GaN管或电子管功率放大器件。

3.根据权利要求1所述的一种多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述0度输出端和90度输出端所输出的信号能量不相等。

4.根据权利要求1所述的一种多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述电路板由基材以及附在基材表面的铜箔构成，基材以下重量份的原料制备而成：

PC树脂27～73份、ABS树脂17～27份、无机纳米粒子1～10份、耐化学品改性剂0.5～5份、耐热剂5～15份、阻燃协效剂1～3份、溴系阻燃剂3～15份、季戊四醇硬脂酸酯0.1～2份、硅酮粉0.1～2份、聚乙烯蜡0.1～3份、四[β-(3，5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.1～2份、二缩三乙二醇双[β-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯]0.1～2份。

5.根据权利要求4所述的一种多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述耐化学品改性剂为全氟烷基的丙烯酸系添加剂，分子量为1100-9000，可以为液体或固体形态存在。

6.根据权利要求4所述的一种多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述无机纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米蒙脱土中的一种或两种的混合。

7.根据权利要求4所述的一种多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述的阻燃协效剂为硼酸锌、三氧化二锑、五氧化二锑、锑酸钠和氧化钼中的一种或两种按1∶1的质量比混合所得的混合物；所述的溴系阻燃剂为四溴双酚A，十溴二苯乙烷、2，4，6～三溴三苯氧基～1，3，5～三嗪中的一种或两种按1∶1的质量比混合所得的混合物。

8.根据权利要求4所述的一种多尔蒂功率放大器，其特征在于，所述的热稳定剂为稀土热稳定剂和有机锡类热稳定剂按质量比2∶3混合所得。