CN107508560B - 一种增强带宽性能的Doherty功率放大器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种增强带宽性能的Doherty功率放大器及其实现方法，包括等分威尔金森功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路和新型负载调制网络，其中，所述等分威尔金森功分器用于将输入功率进行等分后分别输出给载波功率放大电路和峰值功率放大电路；所述新型负载调制网络包括第一微带线T1、第二微带线T2、第三微带线T3和第四微带线T4。相对于现有技术，本发明改进了传统Doherty功率放大器的负载调制网络(去掉了传统的Doherty功率放大器合路端的四分之一波长阻抗变换线)，同时通过在主功放和峰值功放的合路端添加两条并联的四分之一波长短路枝节，对传统负载调制网络中的带宽限制效应进行有效抑制，从而实现Doherty功率放大器带宽性能的增强。

Description

一种增强带宽性能的Doherty功率放大器及其实现方法

技术领域

本发明涉及射频通讯技术领域，尤其涉及一种增强带宽性能的Doherty功率放大器及其实现方法。

背景技术

随着用户对移动数据业务和多媒体业务的需求越来越高，本来稀缺的频谱资源变得越来越匮乏，面对频率资源的紧缺的现状，能同时覆盖多个工作频段并兼容多种协议制式的宽带通信系统已经成为无线技术的发展重点。由于功率放大器在无线通信系统中占据着重要地位，其性能严重影响着通信系统的质量，因此对功率放大器拓宽带宽的研究变得尤为重要。由于Doherty功率放大器具有结构简单、效率高、成本低等优点，成为当今无线通信系统采用功率放大器的主流形式。

但随着通信技术的快速发展，频谱资源的越加匮乏，传统两路Doherty功率放大器带宽窄的特点，已经不再适用于当今无线通信系统，因此，急需研制出新型宽带Doherty功率放大器，以满足当前及未来无线通信系统的宽带宽、高传输速率的要求。增强Doherty功放的带宽性能理所当然地成为了学术界和工业界研究的热点。

传统Doherty功率放大器带宽限制因素有功分器、输入匹配电路、输出匹配电路、相位补偿线以及四分之一波长阻抗变换线；其中起主要限制因素的是负载调制网络中的四分之一阻抗变换线，这是因为我们对输出端的阻抗变换线的设计是在某一中心频率的基础上设计的，随着信号频率偏离中心频率，输出端的阻抗变换线和相位补偿线阻抗会有相对较大的波动，从而导致载波放大电路和峰值放大电路的输出阻抗不稳定，正是这种不稳定造成了传统的Doherty功率放大器带宽窄的特点。

故，针对目前现有技术中存在的问题，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种增强带宽性能的Doherty功率放大器及其实现方法，通过改进传统Doherty功率放大器的负载调制网络结构(即通过在两路放大器的合路端并联两段四分之一波长阻抗变换线，来抑制负载阻抗随工作频率变化的飘移)，并且通过实验仿真证明这两段并联的四分之一阻抗变换线确实可以有效抑制负载阻抗随工作频率变化的飘移，这样就使得放大器的有效负载阻抗随频率变化的偏移量更小，这样我们就能够增强Doherty功率放大器带宽性能，从而把放大器的带宽做得更宽。

为了克服现有技术的缺陷，本发明采用以下技术方案：

一种增强带宽性能的Doherty功率放大器，其特征在于：包括等分威尔金森功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路和新型负载调制网络，其中，所述等分威尔金森功分器用于将输入功率进行等分后分别输出给载波功率放大电路和峰值功率放大电路；所述新型负载调制网络包括第一微带线T1、第二微带线T2、第三微带线T3和第四微带线T4；所述载波功率放大电路和峰值功率放大电路的输出端分别与第一微带线T1和第二微带线T2的一端相连接，所述第一微带线T1和第二微带线T2的另一端相连接作为合路端输出给负载，并且在合路端分别并联所述第三微带线T3和第四微带线T4，第三微带线T3和第四微带线T4为载波放大电路与峰值功率放大电路的输出合路端并联的两段四分之一波长短路枝节，通过并联两段短路枝节之后，两路放大电路合路将功率合路输出给负载；所述第三微带线T3和第四微带线T4的一端均与合路端相连接，另一端均接地；所述第一微带线T1和第二微带线T2均为70.7Ω的四分之一波长阻抗变换器；

所述载波功率放大电路包括依次串接的载波输入匹配电路、载波功率放大器和载波输出匹配电路；所述峰值功率放大电路包括依次串接的相位补偿线、峰值输入匹配电路、峰值功率放大器和峰值输出匹配电路。

优选地，所述载波功率放大器为AB类功率放大器，所述峰值功率放大器为C类功率放大器。

优选地，所述第三微带线T3和第四微带线T4均为250Ω四分之一波长短路枝节。

优选地，所述载波功率放大器和所述峰值功率放大器均采用晶体管实现。

本发明还公开了一种增强带宽性能的Doherty功率放大器的实现方法，包括如下步骤：

步骤一：调试一个标准的AB类功率放大器，作为载波功率放大器；

步骤二：设计载波功率放大器输入输出匹配电路；同时对输出匹配电路进行调整，使得载波放大器在低功率输入时的输出阻抗为100Ω，在高输入功率时负载阻抗为50Ω；

步骤三：调试一个标准的C类功率放大器，作为峰值功率放大器；设计峰值功率放大器的输入输出匹配电路；调节峰值功率放大器输出匹配网络，使得峰值放大器在低功率输入时的输出阻抗为无穷大，在高输入功率时负载阻抗为50Ω；

步骤四：调试新型负载调制网络，所述新型负载调制网络包括第一微带线T1、第二微带线T2、第三微带线T3和第四微带线T4；载波功率放大电路和峰值功率放大电路的输出端分别与第一微带线T1和第二微带线T2的一端相连接，所述第一微带线T1和第二微带线T2的另一端相连接作为合路端输出给负载，并且在合路端分别并联所述第三微带线T3和第四微带线T4，第三微带线T3和第四微带线T4为载波放大电路与峰值功率放大电路的输出合路端并联的两段四分之一波长短路枝节，通过并联两段短路枝节之后，两路放大电路合路将功率合路输出给负载；所述第三微带线T3和第四微带线T4的一端均与合路端相连接，另一端均接地；所述第一微带线T1和第二微带线T2均为70.7Ω的四分之一波长阻抗变换器；

步骤五：将调试好的载波功放、峰值功放及新型负载调制网络组合起来构成实现增强带宽性能的Doherty功率放大器。

相对于现有技术，本发明通过改进传统Doherty功率放大器的负载调制网络，即通过在两路放大器的合路端并联两段四分之一波长阻抗变换线，来抑制载波功放负载阻抗随工作频率变化而产生的漂移，使负载调制网络中的带宽限制效应得到有效抑制，从而达到拓宽Doherty功率放大器带宽的目的。

附图说明

图1是传统的Doherty功率放大器的负载调制网络结构示意图。

图2是新型Doherty功率放大器的负载调制网络结构示意图。

图3是本发明增强带宽性能的Doherty功率放大器结构示意图。

图4是低功率输入时传统Doherty功放和本发明提出的新型Doherty功放的载波功放负载阻抗随频率变化的ADS仿真结果对比图。

其中，Re、Im分别表示负载阻抗的实部和虚部；Carrier表示载波功放；Conv和Prop分别表示传统的功放和本发明提出的功放。

图5是高功率输入时，传统Doherty功放和本发明提出的新型Doherty功放的载波功放负载阻抗随频率偏移的ADS仿真结果对比图。

其中Peaking表示峰值功放。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

针对现有技术存在的缺陷，申请人对现有技术中Doherty功率放大器的结构进行了深入的研究。参见图1，所示为传统的Doherty功率放大器的负载调制网络，从图中可以看出传统Doherty功率放大器的负载调制网络中包含两条四分之一波长阻抗变换线，由于四分之一波长阻抗变换器的输出阻抗与频率密切相关，而在设计放大器时四分之一阻抗变换线的阻抗变换特性是针对于某一频率设计的，也就是说用于阻抗变换的四分之一波长阻抗变换线是针对于某一中心频率而设计的，当工作频率偏离功放的中心频率时，功放管的负载阻抗也会有较大的偏差，从而导致负载调制网络失配，偏离所需要的最佳阻抗，导致Doherty功率放大器的有效负载阻抗随着频率的变化而产生漂移，从而极大地限制了负载调制网络的有效带宽。因此，四分之一波长阻抗变换线成为制约传统Doherty功率放大器工作带宽的主要因素。

以下再从理论上分析四分之一波长阻抗变换线对图1所示的传统Doherty功率放大器带宽的影响。

由经典的传输线理论可知：

通过归一化频率

可以得到：

由上述公式可以看出，当放大器工作频率为中心频率时，归一化频率

可以得到Z_J＝Z_L ²/Z₀，即为四分之一波长阻抗变换线的阻抗变换特性；当频率偏离中心频率时，

Z_J的实部会随频率的变化产生较大的偏移。同理主功放的输出阻抗Z_CL的实部则会有更大的偏移，这将会严重限制功率放大器的带宽。

由上述理论分析可知，如果能够稳定功放管的输出阻抗，就能相应的提高功率放大器的带宽。为此，本申请设计了一种新型负载调制网络，通过在两路放大器的合路端并联两段四分之一波长阻抗变换线，对负载阻抗随工作频率变化的飘移进行有效地抑制，从而达到拓宽Doherty功率放大器带宽的目的。

参见图2，所示为新型Doherty功率放大器的负载调制网络，与传统Doherty功率放大器结构图相比本发明的改进型负载调制网络结构去掉了传统功放合路端的两段四分之一波长阻抗变换线，在合路端并联两段短路枝节，来抑制负载阻抗随工作频率变化的漂移。

同理，在图2的电路结构中，根据经典传输线理论我们可以得到：

由于四分之一波长短路短接线的作用，其阻抗变换比近似为无穷大，因此Z_P≈50Ω，由上述公式可以看出，传统Doherty功放的负载调制网络，相对于本发明设计的新型负载调制网络多了一层阻抗漂移。因此，新型负载调制网络结构具有拓宽带宽的优点。

优选地，经多次试验验证，选用Z_T2＝250Ω的短路枝节并联在两路放大器合路端能达到最佳效果。利用ADS仿真并验证了新型的负载调制网络确实可以有效抑制负载阻抗随工作频率变化的飘移(仿真结果见图4、图5)。

参见图3，所示为本发明一种增强带宽性能的Doherty功率放大器的结构框图，包括等分威尔金森功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路和新型负载调制网络，其中，等分威尔金森功分器用于将输入功率进行等分后分别输出给载波功率放大电路和峰值功率放大电路，载波功率放大电路和峰值功率放大电路的输出端分别与第一微带线T1和第二微带线T2的一端相连接，第一微带线T1和第二微带线T2的另一端相连接作为合路端输出给负载，并且在合路端分别并联第三微带线T3和第四微带线T4，第三微带线T3和第四微带线T4为载波放大电路与峰值功率放大电路的输出合路端并联的两段四分之一波长短路枝节，通过并联两段短路枝节之后，两路放大电路合路将功率合路输出给负载。第三微带线T3和第四微带线T4的一端均与合路端相连接，另一端均接地。第一微带线T1和第二微带线T2均为70.7Ω的四分之一波长阻抗变换器。

载波功率放大电路包括依次串接的载波输入匹配电路、载波功率放大器和载波输出匹配电路；峰值功率放大电路包括依次串接的50Ω四分之一波长相位补偿线、峰值输入匹配电路、峰值功率放大器和峰值输出匹配电路；新型负载调制网络包括第一微带线T1、第二微带线T2、第三微带线T3和第四微带线T4，也即，由两段四分之一波长阻抗变换器和两段四分之一波长短路枝节组成；所述载波放大电路和峰值放大电路，通过所述两段的阻抗变换器和两段短路枝节合路将功率输出给负载。Doherty功放具体工作状态如下：

低功率信号输入时，由于峰值功放工作在C类，信号强度不足以使其工作，因此峰值功放截止并处于高阻状态；此时工作在AB类的载波功放工作，由于1/4波长变换线将负载变为2倍的最佳负载阻抗，即ZCL1＝100Ω，使得负载电压升高，致使载波功放提前进入预饱和状态，效率得到提高。

高功率信号输入时，峰值功放开启，有源调制效应出现，此时载波功放的等效负载，由2倍的最佳阻抗100Ω向最佳阻抗50Ω方向减小，此时载波功放的电压受到峰值功放的牵制保持预饱和状态，峰值功放的负载也由开路状态向最佳负载阻抗50Ω转变。这样功放由最大效率状态向最大输出状态转变，效率维持不变(理想情况下)。此时继续增大输入信号功率，随着输入信号的逐步增强，载波功放和峰值功放的电流增大，载波功放的输出电压不变(理想情况)，继续保持高效率，而负载继续减小，功率输出增加，当峰值功放达到饱和时，载波功放和峰值功放的电流都达到最大值，且载波、峰值功放负载均为最佳负载阻抗50Ω，此时两路功率合成，输出达到最大。

采用上述技术方案，由于在合路端并联两段四分之一波长阻抗变换线，对负载阻抗随工作频率变化的漂移进行有效地抑制，从而达到拓宽Doherty功率放大器带宽的目的。

在一种优选实施方式中，载波功率放大器为AB类功率放大器，所述峰值功率放大器为C类功率放大器；

在一种优选实施方式中，所述的载波功率放大器与负载之间设有70.7Ω四分之一波长阻抗变换器和250Ω的并联短路枝节。

在一种优选实施方式中，所述的峰值功率放大器输出端设有70.7Ω四分之一波长阻抗变换器和250Ω的并联短路枝节。

在一种优选实施方式中，所述载波功率放大器和所述峰值功率放大器均采用GaNHEMT晶体管实现。

本发明还公开了一种增强带宽性能的Doherty功率放大器的实现方法，通过如下步骤实现：

步骤一：调试一个标准的AB类功率放大器，作为载波功率放大器。

步骤二：设计载波功率放大器输入输出匹配电路；同时对输出匹配电路进行调整，使得载波放大器在低功率输入时的输出阻抗为100Ω，在高输入功率时负载阻抗为50Ω。

步骤三：调试一个标准的C类功率放大器，作为峰值功率放大器；设计峰值功率放大器的输入输出匹配电路；调节峰值功率放大器输出匹配网络，使得峰值放大器在低功率输入时的输出阻抗为无穷大，在高输入功率时负载阻抗为50Ω。

步骤四：调试新型负载调制网络。

步骤五：将调试好的载波功放、峰值功放及新型负载调制网络组合起来构成实现增强带宽性能的Doherty功率放大器。

相对于现有技术，本发明通过改进传统Doherty功率放大器的负载调制网络，即通过在两路放大器的合路端并联两段四分之一波长阻抗变换线来抑制负载阻抗随工作频率变化的漂移，从而达到拓宽Doherty功率放大器带宽的目的。

参见图4所示为低功率输入时传统Doherty功放和本发明提出的新型Doherty功放的载波功放负载阻抗随频率偏移的ADS仿真结果对比图，从图中可以看出低功率输入时，在1～3GHz的频率范围内，本发明的新型Doherty功率放大器的载波功放的输出阻抗的实部在90Ω～100Ω之间变化；而在1～3GHz的频率范围内，传统的Doherty功率放大器载波功放的输出阻抗的实部波动在30～100欧姆之间，偏离最佳负载阻抗100Ω较大。相应的，我们可以看到相对于传统Doherty功放，本发明提出的新型Doherty功率放大器载波功放输出阻抗的虚部随频率变化也较为平缓；因此，可以得到，在低功率信号输入时，本发明提出的新型负载调制网络可以有效抑制负载阻抗随工作频率变化的飘移。

参见图5所示为高功率输入时传统Doherty功放和本发明提出的新型Doherty功放的载波功放负载阻抗随频率偏移的ADS仿真结果对比图，从图中可以看出高功率输入时传统Doherty功放在1.5～2.5GHz的频率范围内，其载波功放的负载阻抗在30Ω～50Ω之间变化，而本发明提出的新型负载调制网络在1.5～2.5GHz的频率范围内，其载波功放的负载阻抗在50Ω～60Ω之间变化，由仿真结果可以看出，传统的Doherty功放的载波功放的负载阻抗偏离最佳负载阻抗50Ω更加严重。因此可以得到，在高功率信号输入时，本发明提出的新型负载调制网络同样可以抑制负载阻抗随工作频率变化的漂移。

由于Doherty功率放大器载波功放的负载阻抗的偏移程度对Doherty功率放大器的工作带宽的影响起主导作用，而本发明提出的新型的负载调制网络较传统Doherty功放而言，能够在低、高功率输入时对载波功放的负载阻抗随频率变化的偏移起到抑制作用。因此，本发明对于拓宽Doherty功放的带宽是有效的。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种增强带宽性能的Doherty功率放大器，其特征在于：包括等分威尔金森功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路和新型负载调制网络，其中，所述等分威尔金森功分器用于将输入功率进行等分后分别输出给载波功率放大电路和峰值功率放大电路；所述新型负载调制网络包括第一微带线T1、第二微带线T2、第三微带线T3和第四微带线T4；所述载波功率放大电路和峰值功率放大电路的输出端分别与第一微带线T1和第二微带线T2的一端相连接，所述第一微带线T1和第二微带线T2的另一端相连接作为合路端输出给负载，并且在合路端分别并联所述第三微带线T3和第四微带线T4，第三微带线T3和第四微带线T4为载波放大电路与峰值功率放大电路的输出合路端并联的两段四分之一波长短路枝节，通过并联两段短路枝节之后，两路放大电路合路将功率合路输出给负载；所述第三微带线T3和第四微带线T4的一端均与合路端相连接，另一端均接地；所述第一微带线T1和第二微带线T2均为70.7Ω的四分之一波长阻抗变换器；

所述载波功率放大电路包括依次串接的载波输入匹配电路、载波功率放大器和载波输出匹配电路；所述峰值功率放大电路包括依次串接的相位补偿线、峰值输入匹配电路、峰值功率放大器和峰值输出匹配电路；

所述第三微带线T3和第四微带线T4均为250Ω四分之一波长短路枝节。

2.根据权利要求1所述的增强带宽性能的Doherty功率放大器，其特征在于，所述载波功率放大器为AB类功率放大器，所述峰值功率放大器为C类功率放大器。

3.根据权利要求1所述的增强带宽性能的Doherty功率放大器，其特征在于，所述载波功率放大器和所述峰值功率放大器均采用晶体管实现。

4.一种增强带宽性能的Doherty功率放大器的实现方法，包括如下步骤：

步骤一：调试一个标准的AB类功率放大器，作为载波功率放大器；

步骤二：设计载波功率放大器输入输出匹配电路；同时对输出匹配电路进行调整，使得载波放大器在低功率输入时的输出阻抗为100Ω，在高输入功率时负载阻抗为50Ω；

步骤三：调试一个标准的C类功率放大器，作为峰值功率放大器；设计峰值功率放大器的输入输出匹配电路；调节峰值功率放大器输出匹配网络，使得峰值放大器在低功率输入时的输出阻抗为无穷大，在高输入功率时负载阻抗为50Ω；

步骤四：调试新型负载调制网络，所述新型负载调制网络包括第一微带线T1、第二微带线T2、第三微带线T3和第四微带线T4；载波功率放大电路和峰值功率放大电路的输出端分别与第一微带线T1和第二微带线T2的一端相连接，所述第一微带线T1和第二微带线T2的另一端相连接作为合路端输出给负载，并且在合路端分别并联所述第三微带线T3和第四微带线T4，第三微带线T3和第四微带线T4为载波放大电路与峰值功率放大电路的输出合路端并联的两段四分之一波长短路枝节，通过并联两段短路枝节之后，两路放大电路合路将功率合路输出给负载；所述第三微带线T3和第四微带线T4的一端均与合路端相连接，另一端均接地；所述第一微带线T1和第二微带线T2均为70.7Ω的四分之一波长阻抗变换器；所述第三微带线T3和第四微带线T4均为250Ω四分之一波长短路枝节；

步骤五：将调试好的载波功放、峰值功放及新型负载调制网络组合起来构成实现增强带宽性能的Doherty功率放大器。

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