CN107508559A - 一种新型数字双输入三路Doherty功率放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型数字双输入三路Doherty功率放大装置,其包括:将第一输入信号分为两路等功率或不等功率的功率分配器,其一路信号输出端通过第一相位补偿线或直接与载波功放的信号输入端连接,构成一路功放支路;一路信号输出端通过第二相位补偿线或直接与第一峰值功放的信号输入端连接,该峰值功放的信号输出端与第一阻抗补偿线连接,构成一路功放支路;接收第二输入信号的第二峰值功放,其信号输出端与第二阻抗补偿线连接,构成一路功放支路;三路功放支路并联后与负载阻抗变换电路串联,其中两路输入信号的相位和幅度均可调。相对于传统非对称两路Doherty功率放大器,改善了输出功率回退区间内的效率凹陷问题,从而极大的提升了功放的平均效率。
Description
技术领域
本发明属于功率放大器设计领域,具体涉及一种新型数字双输入三路Doherty功率放大装置。
背景技术
对于日益增长的通信带宽与通信速度的需求,无线通信系统中通常采取复杂的调制技术来提高频谱利用率,由于采用了含有幅度调制的高阶调制模式,无线通信信号通常具有较高的峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)。这一特征要求功率放大器必须工作在一定的输出功率回退区域内,而传统的功率放大器工作在输出功率回退区时其线性往往较好但是其漏级效率很低,为了解决这一问题,许多例如异相技术Outphasing)、包络跟踪技术(Envelope Tracking,ET)以及Doherty技术被广泛的应用到功率放大器的设计当中。
传统Doherty功率放大器由一个载波功放和一个峰值功放组成,并且由于其较高的输出功率回退效率以及较低的复杂度使得Dohery功率放大器被广泛的应用在当今的无线通信系统中。但是由于四分之一波长线(阻抗补偿线)以及相位补偿线的使用,使得传统的Doherty功率放大器不具备良好的宽带特性,然而随着无线通信技术的发展,发射机中的功率放大器通常需要工作在一个较宽的频带内,因此通过一定的技术手段扩展Doherty功率放大器的工作带宽具有很高的价值。并且传统Doherty功率放大器只能在输出功率回退6dB的动态范围内保持较高的效率,然而如今的无线通信调制技术所产生的信号具有的PAPR远远超过6dB,在即将到来的5G通信技术其调制信号所具有的PAPR甚至会超过12dB。因此提高Doherty功率放大器的回退量是一个迫切需要解决的问题。而为了扩展Doherty功率放大器的回退量,人们常常采用非对称Doherty功率放大器的设计方法。虽然非对称Doherty功率放大器能够实现较大的功率回退量,但是随着回退量的增大峰值功放与载波功放电流比也随之增大,此时峰值功放饱和输出功率将远远大于载波功放饱和输出功率,而峰值功放刚开启的一段时间内漏级效率非常低,所以这将导致峰值功放刚开启的一段时间内整体Doherty功率放大器平均效率下降。因此改善传统非对称Doherty功率放大器回退区间的效率凹陷问题也具有很高的价值。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题,提供一种改善传统非对称Doherty功率放大器带宽以及回退区间效率凹陷问题的新型数字双输入三路Doherty功率放大装置。本发明通过三路Doherty功率放大器的架构,相对于传统非对称两路Doherty功率放大器,改善了输出功率回退区间内的效率凹陷问题,从而极大的提升了功放的平均效率。
本发明的新型数字双输入三路Doherty功率放大装置包括功率分配器,第一和/或第二相位补偿线,第一和第二阻抗补偿线,载波功放,第一和第二峰值功放,负载阻抗变换电路;
功率分配器的信号输入端用于输入相位与幅度可调的第一输入信号,功率分配器的第一信号输出端通过第一相位补偿线或直接与载波功放的信号输入端连接,构成一路功放支路;第二信号输出端通过第二相位补偿线或直接与第一峰值功放的信号输入端连接;
第一峰值功放的信号输出端与第一阻抗补偿线连接,构成一路功放支路;
第二峰值功放的信号输入端用于输入相位与幅度可调的第二输入信号,信号输出端与第二阻抗补偿线连接,构成一路功放支路;
三路功放支路并联后与负载阻抗变换电路串联。
本发明的载波功放与第一峰值功放形成有源负载调制组成Doherty功率放大器Doherty1,而Doherty1与第二峰值功放形成新的有源负载调制从而组成Doherty功率放大器Doherty2。本发明通过功率分配器,将相位与幅度可调的第一输入信号分为两路等功率或者不等功率的信号,具体功率分配方式取决于Doherty1,所需的回退量;通过相位补偿线,补偿载波功放与第一峰值功放所产生的相位不平衡,从而避免载波功放与第一峰值功放的输出功率由于相位不一致而在结合点相互抵消、损失的情况;通过阻抗补偿线,将第一峰值功放和第二峰值功放在关闭状态时的输出阻抗变换到无穷大,从而防止峰值功放在关闭状态时载波功放所产生的输出功率泄露到峰值功放;通过负载阻抗变换电路,将负载阻抗(通常为50欧姆)变换到方便载波功放、第一峰值功放一和第二峰值功放输出匹配的某个特定的阻抗。
基于本发明的双信号输入结构,能有效解决传统非对称Doherty功率放大器的回退区间的效率凹陷问题,达到整体功放在不同输出功率情况下的最佳漏级效率状态,提升了整体功放的平均漏级效率。并且由于相位可调,相位补偿线所带来的的带宽限制便可以排除。
进一步的,功率分配器由传输线、隔离电阻组成;或由电容、电感和隔离电阻构成。
进一步的,相位补偿线由传输线构成。
进一步的,阻抗补偿线由传输线构成。
进一步的,负载阻抗变换电路由传输线构成的阻抗变换网络构成;或由电容电感阻抗变换网络构成。
进一步的,载波功放包含直流偏置电路、输入匹配电路和输出匹配电路,并且工作在AB类或B类放大器工作状态下;峰值功放包含直流偏置电路、输入匹配电路和输出匹配电路,并且工作在C类放大器工作状态下。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
(1)本发明采用两路相位可调的信号作为整个功放的两路输入信号,排除了相位补偿线带来的带宽限制的影响。相较于现有惯用的一路输入信号,本发明可以根据实际设计情况保证任意输出功率点的相位一致,从而提升整体性能。
(2)由于输入信号幅度可调,因此本发明能够根据具体需求控制第二峰值放大器的开启点,从而保证整个功放工作在漏级效率相对较高的状态。
(3)本发明的阻抗变换网络不仅仅限制为四分之一波长变换线,还可以由宽带阻抗变换网络来实现,避免了四分之一波长线带来的带宽限制。
附图说明
图1是本发明的结构原理框图示意图;
图2是本发明的工作状态原理图;
图3是本发明实例结构图。
附图标记说明:功率分配器(101);相位补偿线一(201);相位补偿线二(202);阻抗补偿线一(301);阻抗补偿线二(302);阻抗变换网络(401);相位和幅度可调的输入信号一(501);相位和幅度可调的输入信号二(502);载波功放(01);峰值功放一(02);峰值功放二(03);载波功放的输入匹配电路(01-1)、直流偏置电路一(01-2)、输出匹配电路(01-3)、直流偏置电路二(01-4);峰值功放一的输入匹配电路(02-1)、直流偏置电路一(02-2)、输出匹配电路(02-3)、直流偏置电路二(02-4);峰值功放二的输入匹配电路(03-1)、直流偏置电路一(03-2)、输出匹配电路(03-3)、直流偏置电路二(03-4)。
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,下面结合实施方式和附图,对本发明作进一步地详细描述。
参见图1,本发明的新型数字双输入三路Doherty功率放大装置包括功率分配器101、相位补偿线一201,阻抗补偿线一301、阻抗补偿线二302、载波功放01、峰值功放一02、峰值功放二02和负载阻抗变换电路401;其中功率分配器101的信号输入端用于输入相位与幅度可调的输入信号一501,功率分配器101的第一信号输出端通过相位补偿线一201与载波功放01的信号输入端连接,构成一路功放支路;功率分配器101的第二信号输出端与峰值功放一02的信号输入端连接;峰值功放一02的信号输出端与阻抗补偿线一301连接,构成一路功放支路;峰值功放二的信号输入端用于输入相位与幅度可调的输入信号二502,信号输出端与阻抗补偿线二302连接,构成一路功放支路;该三路功放支路并联后与负载阻抗变换电路401串联。其中,功率分配器101与载波功放01、峰值功放一02之间是否连接相位补偿线取决于所需的整体功率放大装置的工作参数。
本发明的载波功放01与峰值功放一02形成有源负载调制组成Doherty功率放大器Doherty1,而Doherty1与峰值功放二03形成新的有源负载调制从而组成Doherty功率放大器Doherty2。本发明工作时,Doherty1工作在饱和点到回退区间1(Doherty1的回退量对应的回退区间)内,而Doherty2工作在饱和点到回退区间2(Doherty2的回退量对应的回退区间,回退区间2为回退区间1内的一段区间),整体功放基本工作状况可参考图2。
在回退区1内,第二峰值功放处于关闭状态,此时载波功放与第一峰值功放形成有源负载调制形成对称Doherty功率放大器结构,因此在回退点到饱和点之间回退效率不会产生明显的下降;而当输出功率达到回退区间2附近时,第二峰值功放开启从而和Doherty1形成新的有源负载调制结构Doherty2。此时虽然漏级效率会有一个缓慢的下降趋势,但是由于Doherty1和第二峰值功放所产生的饱和输出功率相当,因此这种下降趋势不会持续太久便达到了整个功率放大器的饱和状态。因此通过调整两路输入信号的幅度和相位就能使得本发明的三路Doherty功率放大装置工作在最佳工作状态,即基于本发明的双信号输入结构,能有效解决传统非对称Doherty功率放大器的回退区间的效率凹陷问题,达到整体功放在不同输出功率情况下的最佳漏级效率状态。
本发明的三路Doherty功率放大装置的各器件的具体参数设置方式如下:
功率分配器101的具体参数由Doherty1功率放大器所需要的回退量确定,例如当Doherty1功率放大器采用对称结构时(回退区1为6dB),其功率分配比为1:1。
相位补偿线的具体参数由信号经过载波功放01、峰值功放一02所产生的相位不平衡确定,经过仿真可以得到信号经过载波功放01、峰值功放一02所产生的相位差,从而设置相位补偿线的具体参数,从而避免载波功放01、峰值功放一02的输出功率由于相位不一致而在结合点相互抵消、损失的情况。
载波功放01、峰值功放一02、峰值功放二03的具体参数(如输入输出匹配电路、直流偏置电路、功放晶体管的选择等)由整体数字双输入三路Doherty功率放大器所需要的具体设计指标来确定,如工作带宽、饱和输出功率、功率回退量大小、饱和漏级效率、回退区间漏级效率和功率增益等等。
阻抗补偿线301、302的宽度由整体数字双输入三路Doherty功率放大器工作在饱和状态时,峰值功放一02、峰值功放二03的负载阻抗确定;长度由峰值功放一02、峰值功放二03的输出阻抗确定。
负载阻抗变换电路401的具体参数由所需要的具体阻抗变换比ZL1/ZL来确定,其中ZL1表示负载阻抗变换电路401的阻抗,ZL表示负载的阻抗。
实施例
参见图3,本实例采用的基板是罗杰斯5880板材,介质基板厚度为10mil,并且每段微带线的宽长比已在图中标出。其包括了:等功分威尔金森功分器、相位补偿线(201、202)、输入匹配电路(01-1、02-1、03-1)、输出匹配电路(01-3、02-3、03-3)、直流偏置电路(01-2、01-4、02-2、02-4、03-2、03-4)、阻抗补偿线(301、302)、阶跃阻抗变换线组成的负载阻抗变换电路401、两个15W的功放晶体管(峰值功放晶体管)和一个30W的功放晶体管(载波功放晶体管)。
其中等功分威尔金森功分器被设计在功放所需要的工作频带内,并且由微带线和一个阻抗为100欧姆的隔离电阻构成。其作用是将一路幅度与相位可调的输入信号分成两路功率和相位相同的输入信号送入载波功放01和峰值功放一02进行放大。
由两条特性阻抗为50欧姆,长度不一致的微带线构成相位补偿线201、202。因为其特性阻抗为50欧姆,所以不会对载波功放01和峰值功放一02的输入匹配造成影响。而经过功分的两路等功率、同相的输入信号在分别经过载波功放01和峰值功放一02放大以后在功率结合点必然会产生相位不一致的情况,因此必须在功分之后加入相位补偿线用于补偿两路信号在功率结合点相位不一致的情况。在本实例中只要适当调整两根相位相位补偿线的长度以实现不同的相位延迟便可以实现相位对准。
其中输入匹配电路由微带线和电容、电阻构成。由于本实例所采用的晶体管是商业的功放晶体管裸片,因此需要通过负载牵引来获得最佳阻抗条件以实现最大功率和最高效率传输。而所有功放支路的输入匹配电路都用于在一定的设计带宽内将输入为50欧姆的阻抗匹配到功放晶体管通过负载牵引所得到的最佳阻抗,以实现预期效果。
其中输出匹配电路由微带线和电容构成。对于载波功放01的输出匹配电路,由于其必须在一定的设计带宽内同时满足载波功放晶体管工作在饱和点、功率回退点的阻抗要求。因此在本实例中其结构由低阶阻抗逆变器构成,以很好的满足设计需要。而对于峰值功放一02和峰值功放二03的输出匹配电路,因其用于在一定的设计带宽内将通过阻抗变换和有源负载调制以后得到的负载阻抗匹配到晶体管所需要的最佳阻抗,本实例中分别采用阶跃阻抗变换网络和低阶阻抗变换网络构成。
其中直流偏置电路由微带线和到地的电容构成。在本实例中载波功放01偏置在AB类放大器状态,从而使其保持一直导通的状态。而峰值功放一02偏置在C类放大器状态并且在第二个功率回退点开启,从而与载波功放形成有源负载调制实现第二功率回退点到第一功率回退点内的高效率状态。同时峰值功放二03也偏置在C类放大器状态并且在第一个功率回退点开启,从而与载波功放01和峰值功放一02组成的Doherty1形成新的有源负载调制实现功率饱和点到第一个功率回退点内的高效率状态。
其中阻抗补偿线由微带线组成。在本实例中,由于两个峰值功放偏置在C类放大器状态,因此在其关闭的时候必然会导致载波功放所产生的输出功率通过功率结合点泄露到峰值功放。所以在两个峰值功放输出匹配电路后加入阻抗补偿线将峰值功放在关闭状态下的输出阻抗转到无穷大可以有效的避免功率泄露。
其中负载阻抗变换电路401由微带线构成,用于在一定的设计带宽内将阻抗为50欧姆的负载转换到方便载波功放与峰值功放输出匹配的阻抗。
本实例最终可以达到的效果为在3.4-4.2GHz:内饱和输出功率大于47dBm;饱和增益大于10dB;饱和漏级效率以及10dB功率回退区域内的漏级效率都大于60%。因此,本发明在未来5G通信中具有极大的应用价值。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,本说明书中所公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以任何方式组合。
Claims (6)
1.新型数字双输入三路Doherty功率放大装置,包括功率分配器,第一和/或第二相位补偿线,第一和第二阻抗补偿线,载波功放,第一和第二峰值功放,负载阻抗变换电路,其特征在于,
功率分配器的信号输入端用于输入相位与幅度可调的第一输入信号,功率分配器的第一信号输出端通过第一相位补偿线或直接与载波功放的信号输入端连接,构成一路功放支路;第二信号输出端通过第二相位补偿线或直接与第一峰值功放的信号输入端连接;
第一峰值功放的信号输出端与第一阻抗补偿线连接,构成一路功放支路;
第二峰值功放的信号输入端用于输入相位与幅度可调的第二输入信号,信号输出端与第二阻抗补偿线连接,构成一路功放支路;
三路功放支路并联后与负载阻抗变换电路串联。
2.如权利要求1所述的装置,其特征在于,功率分配器由传输线、隔离电阻组成;或由电容、电感和隔离电阻构成。
3.如权利要求1所述的装置,其特征在于,相位补偿线由传输线构成。
4.如权利要求1所述的装置,其特征在于,阻抗补偿线由传输线构成。
5.如权利要求1所述的装置,其特征在于,负载阻抗变换电路由传输线构成的阻抗变换网络构成或电容电感阻抗变换网络构成。
6.如权利要求1所述的装置,其特征在于,载波功放包含直流偏置电路、输入匹配电路和输出匹配电路,并且工作在AB类或B类放大器工作状态下;峰值功放包含直流偏置电路、输入匹配电路和输出匹配电路,并且工作在C类放大器工作状态下。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171222 |
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