CN108718188B - 一种宽带高效率Doherty功率放大器及其设计方法 - Google Patents

一种宽带高效率Doherty功率放大器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带高效率Doherty功率放大器及其设计方法。现有Doherty功率放大器的相对带宽通常被限制在50％以下，且性能在频带的边缘处明显劣化。本发明一种宽带高效率Doherty功率放大器，包括功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路、后匹配网络和输出电阻。载波功率放大电路包括载波输入匹配网络、载波功率放大器、载波输出基波匹配网络和载波功放补偿线。峰值功率放大电路包括峰值输入匹配网络、峰值功率放大器、峰值输出基波匹配网络和峰值功放补偿线。后匹配网络包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线。本发明消除了高阶匹配网络所带来的带宽限制。

Description

一种宽带高效率Doherty功率放大器及其设计方法
技术领域
本发明属于功率放大器技术领域，具体涉及一种宽带高效率的混合连续型Doherty功率放大器。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，射频微波技术在人们的日常生活中越来越重要。为了在有限的频谱带宽内传输尽可能大的数据量，通信商通常采用非常复杂的调制方式，而这会导致信号的峰均比(PAPR)变大，而使用传统的功率放大器如A类、AB类对非恒包络信号进行放大效率很低，尤其是在大功率回退的时候。兼顾在较高带宽下实现高效率和高线性度的射频功率放大器成为学术界和工业界的研究热点之一。Doherty功率放大器因能高效放大调制信号且成本较低而成为当今无线通信所采用功率放大器的主流形式。一个典型的两路Doherty功率放大器包括载波和峰值两个功率放大器，载波和峰值功放输入端由功分器将信号一分为二分别输入，输出端通过一个负载调制网络将信号合路输出，根据输入信号的大小动态调制主辅功率放大器的有效负载阻抗，从而使Doherty功放在输出功率大幅度回退的情况下仍然具有很高的效率。
但随着通信技术的快速发展和对节能环保要求的日趋看重，传统两路Doherty功率放大器回退效率和带宽已经不能满足当今无线通信系统的要求，因此，亟需研制出新型宽带高效率Doherty功率放大器以满足当前日益增长的无线通信传输数据量的需求。如何提高Doherty的带宽和效率自然的成为学术界以及工业界的研究热点之一。
根据以往公开的关于宽带Doherty功率放大器的技术方案，相对带宽通常被限制在50％以下，并且性能在频带的边缘处明显劣化，效率也很难满足要求。因此，带宽和效率还不足以满足现代基站的要求。这种不足的一个主要原因是以前的设计仅仅集中在功率放大器的匹配，而忽略谐波分量。设计人员多年来已经知道，电压和电流波形中的谐波分量起着重要的作用，可加以控制以实现更高的效率，近几年提出的F类正是基于谐波控制理论。但是，单管F类不能实现在回退情况下的高效率输出，且带宽较窄，为了提高带宽，现有技术提出连续F类思想，从而单管实现高效率高带宽。由此，为了提高Doherty的效率和带宽，研究人员将两种技术结合在一起，基于Doherty和连续模式技术取得一定进展，在理论上可以同时实现带宽和效率的提高。不过不幸的是，由于谐波调谐和基波延迟之间的矛盾，试图用连续模式功放简单地取代Doherty中常规的AB类功放并没有达到预期的效果，而提高Doherty的带宽和效率对实现通信频带更好的覆盖和基站的节能高效至关重要，也是现今亟需解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带高效率Doherty功率放大器及其设计方法。
本发明一种宽带高效率Doherty功率放大器，包括功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路、后匹配网络和输出电阻。所述的载波功率放大电路包括载波输入匹配网络、载波功率放大器、载波输出基波匹配网络和载波功放补偿线。所述载波输入匹配网络的输入接口接功分器的第一输出端，输出端接载波功率放大器的栅极。所述载波功率放大器的源极接地，漏极接载波输出基波匹配网络的输入端。载波输出基波匹配网络的负载端接载波功放补偿线的第一接线端。
所述的峰值功率放大电路包括峰值输入匹配网络、峰值功率放大器、峰值输出基波匹配网络和峰值功放补偿线。所述峰值输入匹配网络的输入端接功分器的第二输出端，输出端接峰值功率放大器的栅极。所述峰值功率放大器的源极接地，漏极接峰值输出基波匹配网络的输入端。所述峰值输出基波匹配网络的负载端接峰值功放补偿线的第一接线端。
所述的后匹配网络包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线。所述第三微带线的一端接载波功放补偿线及峰值功放补偿线的第二接线端，另一端接第四微带线的一端。第四微带线的另一端接第一微带线、第二微带线及第五微带线的一端。第一微带线的另一端接地。第二微带线的另一端悬空。第五微带线的另一端接第六微带线的一端。第六微带线的另一端接输出电阻的一端。
进一步地，所述第一微带线的电长度为λ/4。所述第二微带线的电长度为λ/8。
进一步地，所述的功分器采用等分威尔金森功分器。
进一步地，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。
该宽带高效率混合连续型Doherty功率放大器的设计方法具体如下：
步骤一：调整载波功率放大器栅极的输入电压，使载波功率放大器工作在AB类工作模式。并设计载波输出基波匹配网络。
步骤二：调整峰值功率放大器栅极的输入电压，使峰值功率放大器工作在C类工作模式。并设计峰值输出基波匹配网络。
步骤三：将功分器的第一输出端、第二输出端与步骤一所得的载波功率放大器、峰值功率放大器的输入端分别相连。将载波功放补偿线、峰值功放补偿线的一端分别连接到载波输出基波匹配网络、载波输出基波匹配网络的负载端。使得载波功率放大电路与峰值功率放大电路在合路点的相位保持一致。
步骤四：在ADS软件中设计后匹配网络。
本发明具有的有益效果是：
本发明通过将高阶匹配网络放置于负载调制网络之后，减小了载波功率放大器和峰值功率放大器输出匹配电路的相位差，消除高阶匹配网络所带来的带宽限制。此外，本发明的后匹配网络中，在设计带宽范围内选取四分之一频点和四分之三频点对二次谐波进行控制，进而在整个目标带宽内很好的控制二次谐波。使得目标带宽得以扩展。
附图说明
图1为本发明的工作原理图；
图2为本发明中后匹配网络的电路原理图；
图3为本发明及现有Doherty功率放大器在功率回退6dB时效率曲线仿真图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种宽带高效率Doherty功率放大器，包括功分器1、载波功率放大电路2、峰值功率放大电路3、后匹配网络4和输出电阻5。后匹配网络4为混合连续型高阶匹配网络。功分器1采用等分威尔金森功分器1。功分器1用于将输入信号进行等分后分别输出给载波功率放大电路2和峰值功率放大电路3，载波功率放大电路2、峰值功率放大电路3分别将输入功率放大后合路输出到后匹配网络4。后匹配网络4将输入的功率进行谐波匹配后传输给输出电阻5。
载波功率放大电路2包括载波输入匹配网络2-1、载波功率放大器2-2、载波输出基波匹配网络2-3和载波功放补偿线2-4。载波输入匹配网络2-1的输入接口接功分器1的第一输出端，输出端接载波功率放大器2-2的栅极。载波功率放大器2-2的源极接地，漏极接载波输出基波匹配网络2-3的输入端。载波输出基波匹配网络2-3的负载端接载波功放补偿线2-4的第一接线端。
峰值功率放大电路3包括峰值输入匹配网络3-1、峰值功率放大器3-2、峰值输出基波匹配网络3-3和峰值功放补偿线3-4。峰值输入匹配网络3-1的输入端接功分器1的第二输出端，输出端接峰值功率放大器3-2的栅极。峰值功率放大器3-2的源极接地，漏极接峰值输出基波匹配网络3-3的输入端。峰值输出基波匹配网络3-3的负载端接峰值功放补偿线3-4的第一接线端。
如图1和2所示，后匹配网络4包括第一微带线TL1、第二微带线TL2、第三微带线TL3、第四微带线TL4、第五微带线TL5和第六微带线TL6。第三微带线TL3的一端接载波功放补偿线2-4及峰值功放补偿线3-4的第二接线端，另一端接第四微带线TL4的一端。第四微带线TL4的另一端接第一微带线TL1、第二微带线TL2及第五微带线TL5的一端。第一微带线TL1的另一端接地。第二微带线TL2的另一端悬空。第五微带线TL5的另一端接第六微带线TL6的一端。第六微带线TL6的另一端接输出电阻5的一端。输出电阻5的另一端即为本发明的放大输出端。
第一微带线TL1的电长度为λ/4。使得在目标带宽的第一个四分之一点下，第一微带线TL1连接第四微带线TL4的那端呈现为短路，进而控制目标带宽中一半的二次谐波。第二微带线TL2的电长度为λ/8。使得在目标带宽的第三个四分之一点下，第二微带线TL2连接第四微带线TL4的那端呈现为短路，进而控制目标带宽中另一半的二次谐波。进而在整个目标带宽内很好的控制二次谐波。使得目标带宽得以扩展。第三微带线TL3、第四微带线TL4、第五微带线TL5及第六微带线TL6的电长度均在ADS软件中根据阻抗变量匹配原理得到，使得基波阻抗匹配到目标阻抗区域内即可。
本申请将常规载波功率放大电路2及峰值功率放大电路3中的混合连续型高阶匹配网络删去，并在载波功率放大电路2及峰值功率放大电路3合路后的位置设置后匹配网络4。从而使得载波功率放大电路2及峰值功率放大电路3专门用来实现基波匹配，后匹配网络4既进行25欧匹配到50欧的基波匹配，也对合路点处二次谐波、三次谐波的阻抗Znload(n＝2,3)进行谐波匹配。由于后匹配网络4直接对载波功率放大电路2与峰值功率放大电路3合路后的信号进行谐波匹配，故无须再考虑混合连续型高阶匹配网络对信号相位的影响。使得载波功率放大电路2与峰值功率放大电路3的相位延时小且可知。再通过调整载波功放补偿线2-4和峰值功放补偿线3-4即可使得载波功率放大电路2与峰值功率放大电路3的相位保持一致，从而提高带宽。同时，由于减少了一个混合连续型高阶匹配网络，Doherty功率放大器的复杂度也得到明显降低。
如图3所示，连接圆点所成的折线为本发明在6dB功率回退下的回退效率折线；连接方点所成的折线为现有Doherty功率放大器在6dB功率回退下的回退效率折线。可以看出本发明在1.6Ghz～2.9Ghz的范围内均能达到50％以上的回退效率，而现有Doherty功率放大器仅在1.9Ghz～2.0Ghz及2.4Ghz～2.7Ghz的范围内能够达到50％的回退效率。可见，本发明的带宽明显大于现有Doherty功率放大器，且在本发明在带宽内的效率均明显高于现有Doherty功率放大器。
该宽带高效率混合连续型Doherty功率放大器的设计方法具体如下：
步骤一：调整载波功率放大器2-2栅极的输入电压，使载波功率放大器2-2工作在AB类工作模式。并设计载波输出基波匹配网络2-3，使得输入信号的谐波分量和基波通过载波输出基波匹配网络2-3的负载端。
步骤二：调整峰值功率放大器3-2栅极的输入电压，使峰值功率放大器3-2工作在C类工作模式。并设计峰值输出基波匹配网络3-3，使得输入信号的谐波分量和基波通过峰值输出基波匹配网络3-3的负载端。
步骤三：将功分器1的第一输出端、第二输出端与步骤一所得的载波功率放大器2-2、峰值功率放大器3-2的输入端分别相连。将50欧相位的载波功放补偿线2-4、峰值功放补偿线3-4的一端分别连接到载波输出基波匹配网络2-3、载波输出基波匹配网络2-3的负载端。使得载波功率放大电路2与峰值功率放大电路3在合路点的相位保持一致。
步骤四：在ADS软件中设计后匹配网络4，使得载波功率放大电路2与峰值功率放大电路3合路点的阻抗满足混合连续型功率放大器的设计要求。

Claims (4)

1.一种宽带高效率Doherty功率放大器，包括功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路、后匹配网络和输出电阻；其特征在于：所述的载波功率放大电路包括载波输入匹配网络、载波功率放大器、载波输出基波匹配网络和载波功放补偿线；所述载波输入匹配网络的输入接口接功分器的第一输出端，输出端接载波功率放大器的栅极；所述载波功率放大器的源极接地，漏极接载波输出基波匹配网络的输入端；载波输出基波匹配网络的负载端接载波功放补偿线的第一接线端；
所述的峰值功率放大电路包括峰值输入匹配网络、峰值功率放大器、峰值输出基波匹配网络和峰值功放补偿线；所述峰值输入匹配网络的输入端接功分器的第二输出端，输出端接峰值功率放大器的栅极；所述峰值功率放大器的源极接地，漏极接峰值输出基波匹配网络的输入端；所述峰值输出基波匹配网络的负载端接峰值功放补偿线的第一接线端；
所述的后匹配网络包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线；所述第三微带线的一端接载波功放补偿线及峰值功放补偿线的第二接线端，另一端接第四微带线的一端；第四微带线的另一端接第一微带线、第二微带线及第五微带线的一端；第一微带线的另一端接地；第二微带线的另一端悬空；第五微带线的另一端接第六微带线的一端；第六微带线的另一端接输出电阻的一端；所述第一微带线的电长度为λ/4；所述第二微带线的电长度为λ/8。
2.根据权利要求1所述的一种宽带高效率Doherty功率放大器，其特征在于：所述的功分器采用等分威尔金森功分器。
3.根据权利要求1所述的一种宽带高效率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。
4.如权利要求1所述的一种宽带高效率Doherty功率放大器的设计方法，其特征在于：步骤一：调整载波功率放大器栅极的输入电压，使载波功率放大器工作在AB类工作模式；并设计载波输出基波匹配网络；
步骤二：调整峰值功率放大器栅极的输入电压，使峰值功率放大器工作在C类工作模式；并设计峰值输出基波匹配网络；
步骤三：将功分器的第一输出端、第二输出端与步骤一所得的载波功率放大器、峰值功率放大器的输入端分别相连；将载波功放补偿线、峰值功放补偿线的一端分别连接到载波输出基波匹配网络、载波输出基波匹配网络的负载端；使得载波功率放大电路与峰值功率放大电路在合路点的相位保持一致；
步骤四：在ADS软件中设计后匹配网络。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20181030

Assignee: Zhejiang fushiyun Intelligent Technology Co.,Ltd.

Assignor: HANGZHOU DIANZI University

Contract record no.: X2022330000718

Denomination of invention: A Broadband High Efficiency Doherty Power Amplifier and Its Design Method

Granted publication date: 20220211

License type: Common License

Record date: 20221204

TR01 Transfer of patent right
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Effective date of registration: 20240314

Address after: Room 5558, Building C, No. 525 Xixi Road, Xihu District, Hangzhou City, Zhejiang Province, 310000

Patentee after: Hangzhou Qibeijia Information Technology Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: 310018 No. 2 street, Xiasha Higher Education Zone, Hangzhou, Zhejiang

Patentee before: HANGZHOU DIANZI University

Country or region before: China

TR01 Transfer of patent right
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Effective date of registration: 20240403

Address after: 210000 building 18, 699-22 Xuanwu Avenue, Xuanwu District, Nanjing City, Jiangsu Province

Patentee after: CERTUSNET Corp.

Country or region after: China

Address before: Room 5558, Building C, No. 525 Xixi Road, Xihu District, Hangzhou City, Zhejiang Province, 310000

Patentee before: Hangzhou Qibeijia Information Technology Co.,Ltd.

Country or region before: China