CN108763640B - 高效率高回退的Doherty功率放大器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高效率高回退的Doherty功率放大器及其设计方法。传统Doherty功率放大器回退范围只有6dB。本发明高效率高回退的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、负载调制网络和输出电阻。负载调制网络包括第一微带线、第二微带线和第三微带线。所述第一微带线的一端接载波输出匹配网络的负载端，另一端接第二微带线及第三微带线的一端。第三微带线的另一端接地。第二微带线的另一端与峰值输出匹配网络的负载端相连，并接输出电阻的一端。本发明用微带线代替了集总元器件，避免了集总元器件对效率和带宽的影响，从而提高了效率，拓展了带宽。

Description

高效率高回退的Doherty功率放大器及其设计方法

技术领域

本发明属于射频通讯技术领域，具体涉及一种基于改进型负载调制网络4的高效率高回退的Doherty功率放大器。

背景技术

在现代移动通信系统的不断发展过程中，高效率，高线性度和紧凑的尺寸是通信系统一直追求的目标，特别是在基站收发系统功率放大器中。为了满足人们对网速日益增长的需求，通信运营商已经采取多种措施提高功率放大器的效率和线性度。其中，Doherty功率放大器因为具有较高的回退效率、良好的线性度以及结构简单，尺寸紧凑，因此大规模应用于现代移动通信系统中。Doherty功率放大器的关键技术是有源负载调制技术：Doherty功率放大器可以通过负载调制网络根据输入功率的大小动态调制Doherty功率放大器载波放大器和峰值放大器输出端阻抗值，从而提高Doherty功率放大器的输出效率。

随着5G通信技术的发展，对基站建设的要求也越来越高。为了满足人们对通信速度的追求，采用更复杂的调制方式，提高传输信号的峰均比是未来通信技术发展重要选择。但传统Doherty功率放大器载波放大器输出端阻抗在低输入情况下通常匹配至2Z_opt(Z_opt为输出端最佳匹配阻抗值)，这使得传统Doherty功率放大器回退范围只有6dB。无法满足现在通信系统中高峰均比的传输信号。因此设计出具有更高回退范围的Doherty功率放大器来满足具有更高峰均比的传输信号是Doherty功率放大器发展的重要方向之一。

此外，在基站建设中，功率放大器是基站的主要耗能模块，因此提高基站中Doherty功率放大器的输出效率对整个系统的能源节约有重要意义。CaN晶体管以其高效率、高功率密度和小尺寸广泛应用于基站Doherty功率放大器中。但CaN晶体管存在寄生参数(包括寄生电容和电感)。根据CaN晶体管生产厂家给定的参数模型可以计算出晶体管输出端存在寄生参数总体呈现电容性，晶体管输出端寄生参数可以用C_out表示。C_out包含了晶体管输出端所有非线性寄生参数的总和。由于非线性输出电容C_out的存在，严重影响了Doherty功率放大器的输出效率。针对晶体管输出电容C_out对Doherty功率放大器输出效率的影响。现阶段主要通过采用LC谐振网络结构，采用直接并联电感元器件通过LC谐振消除晶体管输出电容C_out对Doherty功率放大器的影响；也可以采用π型网络结构，通过并联短路微带线相当于电感，减小晶体管输出电容C_out对电路的影响。但采用集总元器件对Doherty功率放大器的带宽有很大影响，并联短路微带线减小放大器对电流的处理能力，并增大损耗和产生并联寄生效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于改进型负载调制网络4的高效率高回退的Doherty功率放大器

本发明高效率高回退的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、负载调制网络和输出电阻。所述的载波功率放大电路包括载波输入匹配网络、载波放大器和载波输出匹配网络。所述载波输入匹配网络的输入端接功分器的第一输出端，输出端接载波放大器的输入端。载波放大器的输出端接载波输出匹配网络的输入端。

所述的峰值功率放大电路包括峰值输入匹配网络、峰值放大器、峰值输出匹配网络和相位补偿线。所述相位补偿线的一端接功分器的第二输出端，另一端接峰值输入匹配网络的输入端。峰值输入匹配网络的输出端接峰值放大器的输入端。峰值放大器的输出端接峰值输出匹配网络的输入端。

所述的负载调制网络包括第一微带线、第二微带线和第三微带线。所述第一微带线的一端接载波输出匹配网络的负载端，另一端接第二微带线及第三微带线的一端。第三微带线的另一端接地。第二微带线的另一端与峰值输出匹配网络的负载端相连，并接输出电阻的一端。第一微带线的电长度θ₁′、第二微带线的电长度θ₂′、第三微带线的电长度θ₃′依次取特征二维数组的一组元素内的三个元素。

第一微带线的特征阻抗Z_c1、第二微带线的特征阻抗Z_c2、第三微带线的特征阻抗Z_c3同时满足以下六条表达式：

Z₃＝jZ_C3tanθ₃

jX_L,m＝jZ_c3tanθ₃

jX_L,p＝jZ_c2tanθ₂

其中，j为虚数符号；Z_H的取值为50Ω。Z_C的取值为150Ω。

C_out,m为载波放大器的输出端寄生电容值；w＝2πf；f为需要放大的信号的中心频率；

C_out,p为峰值放大器的输出端寄生电容值。Z₁、Z₂及Z₃均为中间变量。θ₁、θ₂、θ₃均为待求解。

联立以上六条表达式，在Z_c1、Z_c2、Z_c3确定且的情况下，θ₁、θ₂、θ₃无解或仅有一组解。若Z_c1、Z_c2、Z_c3均为50～150Ω中的一个整数值，且θ₁、θ₂、θ₃有解，则解出的θ₁、θ₂、θ₃依次为特征二维数组一组元素内的三个元素。

特征二维数组为Z_c1、Z_c2、Z_c3分别依次取为50～150Ω中所有整数值，对应的各组θ₁、θ₂、θ₃的集合。

进一步地，所述相位补偿线的电长度在ADS软件中调节得到。

进一步地，所述的功分器采用不等分功分器。

进一步地，θ₁′、θ₂′、θ₃′取特征二维数组中和值最小的一组元素。

进一步地，θ₁′、θ₂′、θ₃′取特征二维数组中对应第一微带线的特征阻抗Z_c1、第二微带线的特征阻抗Z_c2、第三微带线的特征阻抗Z_c3之和最小的一组元素。

进一步地，所述的载波放大器及峰值放大器均采用氮化镓晶体管。

该高效率高回退的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。并设计载波输出匹配网络，使得载波放大器在输入电压小于最大输入电压三分之一的情况下，输出阻抗为150欧，载波放大器在输入电压等于最大输入电压的情况下，输出阻抗为50欧。得到载波功率放大电路。

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，并设计峰值输出匹配网络，使得峰值放大器在输入电压小于最大输入电压三分之一的情况下，输出阻抗为无穷大，峰值放大器在输入电压等于最大输入电压的情况下，输出阻抗为75欧。得到峰值功率放大电路。

步骤三、令Z_C1＝50，Z_C2＝50；Z_C3＝50。

步骤四、联立以下六条方程，

Z₃＝jZ_C3tanθ₃

jX_L,m＝jZ_c3tanθ₃

jX_L,p＝jZ_c2tanθ₂

若θ₁、θ₂、θ₃有解，若有解，则解出θ₁、θ₂、θ₃并作为同一组记录下来(每次解出的θ₁、θ₂、θ₃均分别记录)，并进入步骤五。否则，只接进入步骤五。

步骤五、若Z_C3＜150，则将Z_C3增大一，并执行一次步骤四。若Z_C3＝150且Z_C2＜150，则将50赋值给Z_C3，将Z_C2增大一，并执行一次步骤四。若Z_C3＝150，Z_C2＝150且Z_C1＜150，则将50赋值给Z_C2和Z_C3，将Z_C1增大一，并执行一次步骤四。若Z_C3、Z_C2及Z_C1均等于150，则进入步骤六。

步骤六、在步骤四和五中解出的各组θ₁、θ₂、θ₃中选择最小的一组分别作为第一微带线的电长度θ₁′、第二微带线的电长度θ₂′、第三微带线的电长度θ₃′。进而将第一微带线、第二微带线和第三微带线连接成负载调制网络。

步骤七、将功分器、步骤一所得的载波功率放大电路、步骤二所得的峰值功率放大电路和步骤六所得的负载调制网络组合起来构成Doherty功率放大器。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明用微带线代替了集总元器件，用以减小寄生电容对功率放大器的影响。避免了集总元器件对效率和带宽的影响，从而提高了效率，拓展了带宽。

2、本发明减少了短路线的使用，在保证有效抑制寄生电容的前提下，提高了功率放大器对电流处理能力。

3、本发明在保证有效抑制寄生电容的前提下，使得功率放大器的回退范围达到9dB。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明及传统Doherty功率放大器效率随输入电压的变化曲线图。

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，高效率高回退的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、负载调制网络4和输出电阻5。功分器1采用不等分功分器1。功分器1用于将输入信号进行分成功率比为1:2的两个信号后分别输出给载波功率放大电路2、峰值功率放大电路3。

载波功率放大电路2包括载波输入匹配网络2-1、载波放大器2-2和载波输出匹配网络2-3。载波放大器2-2采用氮化镓晶体管。载波输入匹配网络2-1的输入端接功分器1的第一输出端，输出端接载波放大器2-2的输入端(栅极)。载波放大器2-2的源极接地，输出端(漏极)接载波输出匹配网络2-3的输入端。

峰值功率放大电路3包括峰值输入匹配网络3-1、峰值放大器3-2、峰值输出匹配网络3-3和相位补偿线3-4。峰值放大器3-2均采用氮化镓晶体管。相位补偿线3-4的一端接功分器1的第二输出端，另一端接峰值输入匹配网络3-1的输入端。峰值输入匹配网络3-1的输出端接峰值放大器3-2的输入端(栅极)。峰值放大器3-2的源极接地，输出端(漏极)接峰值输出匹配网络3-3的输入端。

负载调制网络4包括第一微带线T1、第二微带线T2和第三微带线T3。第一微带线T1的一端接载波输出匹配网络2-3的负载端，另一端接第二微带线T2及第三微带线T3的一端。第三微带线T3的另一端接地。第二微带线T2的另一端与峰值输出匹配网络3-3的负载端相连，并接输出电阻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T1的电长度θ₁′、第二微带线T2的电长度θ₂′、第三微带线T3的电长度θ₃′依次取特征二维数组的一组元素内的三个元素。

第一微带线T1的特征阻抗Z_c1、第二微带线T2的特征阻抗Z_c2、第三微带线T3的特征阻抗Z_c3同时满足以下六条表达式：

Z₃＝jZ_C3tanθ₃

jX_L,m＝jZ_c3tanθ₃

jX_L,p＝jZ_c2tanθ₂

其中，j为虚数符号；Z_H为第二微带线T2远离第一微带线T1那端的输出阻抗值，取值为50Ω。Z_C为第一微带线T1远离第二微带线T2那端的输出阻抗值，取值为150Ω。

C_out,m为载波放大器2-2的输出端寄生电容值；w＝2πf；f为需要使用该Doherty功率放大器放大的信号的中心频率，取值为2GHz；

C_out,p为峰值放大器3-2的输出端寄生电容值。Z₁、Z₂、Z₃分别为第一微带线T1远离载波功率放大电路2那端的阻抗值、第二微带线T2远离输出电阻5那端的阻抗值、第三微带线T3不接地那端的阻抗值，均为中间变量(求解中可以约去)。θ₁、θ₂、θ₃均为待求解。

联立以上六条表达式，在Z_c1、Z_c2、Z_c3确定且的情况下，θ₁、θ₂、θ₃无解或仅有一组解。若Z_c1、Z_c2、Z_c3均为50～150Ω中的一个整数值，且θ₁、θ₂、θ₃有解，则解出的θ₁、θ₂、θ₃依次为特征二维数组一组元素内的三个元素。

将Z_c1、Z_c2、Z_c3分别依次取为50～150Ω中所有整数值，分别求出对应的θ₁、θ₂、θ₃。即可得到特征二维数组。

此时，第三微带线T3等效于一个能够抑制载波放大器2-2的输出端寄生电容的电感；第二微带线T2等效于一个能够抑制峰值放大器3-2的输出端寄生电容的电感，由于微带线不是集总元件，故不会限制功率放大器的带宽。

相位补偿线3-4的电长度在ADS软件中调节得到，使得第二微带线T2远离输出电阻5那端与峰值输出匹配网络3-3负载端的相位差为零。

第一微带线T1的电长度θ₁′、第二微带线T2的电长度θ₂′、第三微带线T3的电长度θ₃′按以下两种实施方式进行取值：

图2中，点划线为本发明效率随输入电压的变化曲线，实线为传统Doherty功率放大器效率随输入电压的变化曲线。从图2中可以看出，传统Doherty功率放大器在输入电压达到最大电压的二分之一时才能达到了效率最大值，而本发明在输入电压达到最大电压的三分之一时就达到了效率最大值。进而使得本发明在功率回退9dB的情况下效率就达到了饱和。可见，本发明相较于传统Doherty功率放大器具有更大的回退范围。

实施例1

θ₁′、θ₂′、θ₃′取特征二维数组中和值最小的一组元素(特征二维数组中一组元素的和值即为该组元素内三个数值相加所得值)。

实施例2

θ₁′、θ₂′、θ₃′取特征二维数组中对应第一微带线T1的特征阻抗Z_c1、第二微带线T2的特征阻抗Z_c2、第三微带线T3的特征阻抗Z_c3之和最小的一组元素(即以第一微带线T1的特征阻抗Z_c1、第二微带线T2的特征阻抗Z_c2、第三微带线T3的特征阻抗Z_c3之和尽可能小作为选择θ₁′、θ₂′、θ₃′的目标和依据)。

该高效率高回退的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，，使载波功率放大器工作在AB类工作模式。并设计载波输出匹配网络2-3，使得载波放大器在输入电压小于最大输入电压三分之一的情况下，输出阻抗为150欧，载波放大器在输入电压等于最大输入电压的情况下，输出阻抗为50欧。得到载波功率放大电路2。

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，并设计峰值输出匹配网络3-3，使得峰值放大器在输入电压小于最大输入电压三分之一的情况下，输出阻抗为无穷大，峰值放大器在输入电压等于最大输入电压的情况下，输出阻抗为75欧。得到峰值功率放大电路3。

步骤三、令Z_C1＝50，Z_C2＝50；Z_C3＝50。

步骤四、联立以下六条方程，

Z₃＝jZ_C3tanθ₃

jX_L,m＝jZ_c3tanθ₃

jX_L,p＝jZ_c2tanθ₂

若θ₁、θ₂、θ₃有解，若有解，则解出θ₁、θ₂、θ₃并作为同一组记录下来(每次解出的θ₁、θ₂、θ₃均分别记录)，并进入步骤五。否则，只接进入步骤五。

步骤五、若Z_C3＜150，则将Z_C3增大一，并执行一次步骤四。若Z_C3＝150且Z_C2＜150，则将50赋值给Z_C3，将Z_C2增大一，并执行一次步骤四。若Z_C3＝150，Z_C2＝150且Z_C1＜150，则将50赋值给Z_C2和Z_C3，将Z_C1增大一，并执行一次步骤四。若Z_C3、Z_C2及Z_C1均等于150，则进入步骤六。

步骤六、在步骤四和五中解出的各组θ₁、θ₂、θ₃中选择最小的一组分别作为第一微带线T1的电长度θ₁′、第二微带线T2的电长度θ₂′、第三微带线T3的电长度θ₃′。进而将第一微带线T1、第二微带线T2和第三微带线T3连接成负载调制网络4。

步骤七、将功分器、步骤一所得的载波功率放大电路2、步骤二所得的峰值功率放大电路3和步骤六所得的负载调制网络4组合起来构成Doherty功率放大器。

Claims (7)

1.高效率高回退的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、负载调制网络和输出电阻；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、载波放大器和载波输出匹配网络；所述载波输入匹配网络的输入端接功分器的第一输出端，输出端接载波放大器的输入端；载波放大器的输出端接载波输出匹配网络的输入端；

所述的峰值功率放大电路包括峰值输入匹配网络、峰值放大器、峰值输出匹配网络和相位补偿线；所述相位补偿线的一端接功分器的第二输出端，另一端接峰值输入匹配网络的输入端；峰值输入匹配网络的输出端接峰值放大器的输入端；峰值放大器的输出端接峰值输出匹配网络的输入端；

所述的负载调制网络包括第一微带线、第二微带线和第三微带线；所述第一微带线的一端接载波输出匹配网络的负载端，另一端接第二微带线及第三微带线的一端；第三微带线的另一端接地；第二微带线的另一端与峰值输出匹配网络的负载端相连，并接输出电阻的一端；第一微带线的电长度θ₁′、第二微带线的电长度θ₂′、第三微带线的电长度θ₃′依次取特征二维数组的一组元素内的三个元素；

第一微带线的特征阻抗Z_C1、第二微带线的特征阻抗Z_C2、第三微带线的特征阻抗Z_C3同时满足以下六条表达式：

Z₃＝jZ_C3 tanθ₃

jX_L,m＝jZ_C3 tanθ₃

jX_L,p＝jZ_C2 tanθ₂

其中，j为虚数符号；Z_H的取值为50Ω；Z_C的取值为150Ω；

C_out,m为载波放大器的输出端寄生电容值；w＝2πf；f为需要放大的信号的中心频率；

C_out,p为峰值放大器的输出端寄生电容值；Z₁、Z₂及Z₃均为中间变量；θ₁、θ₂、θ₃均为待求解；

联立以上六条表达式，在Z_C1、Z_C2、Z_C3确定的情况下，θ₁、θ₂、θ₃无解或仅有一组解；若Z_C1、Z_C2、Z_C3均为50～150Ω中的一个整数值，且θ₁、θ₂、θ₃有解，则解出的θ₁、θ₂、θ₃依次为特征二维数组一组元素内的三个元素；

特征二维数组为Z_C1、Z_C2、Z_C3分别依次取为50～150Ω中所有整数值，对应的各组θ₁、θ₂、θ₃的集合。

2.根据权利要求1所述的高效率高回退的Doherty功率放大器，其特征在于：所述相位补偿线的电长度在ADS软件中调节得到。

3.根据权利要求1所述的高效率高回退的Doherty功率放大器，其特征在于：所述的功分器采用不等分功分器。

4.根据权利要求1所述的高效率高回退的Doherty功率放大器，其特征在于：θ₁′、θ₂′、θ₃′取特征二维数组中和值最小的一组元素。

5.根据权利要求1所述的高效率高回退的Doherty功率放大器，其特征在于：θ₁′、θ₂′、θ₃′取特征二维数组中对应第一微带线的特征阻抗Z_c1、第二微带线的特征阻抗Z_c2、第三微带线的特征阻抗Z_c3之和最小的一组元素。

6.根据权利要求1所述的高效率高回退的Doherty功率放大器，其特征在于：所述的载波放大器及峰值放大器均采用氮化镓晶体管。

7.如权利要求1所述的高效率高回退的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；并设计载波输出匹配网络，使得载波功率放大器在输入电压小于最大输入电压三分之一的情况下，输出阻抗为150欧，载波放大器在输入电压等于最大输入电压的情况下，输出阻抗为50欧；得到载波功率放大电路；

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，并设计峰值输出匹配网络，使得峰值功率放大器在输入电压小于最大输入电压三分之一的情况下，输出阻抗为无穷大，峰值放大器在输入电压等于最大输入电压的情况下，输出阻抗为75欧；得到峰值功率放大电路；

步骤三、令Z_C1＝50，Z_C2＝50；Z_C3＝50；

步骤四、联立以下六条方程，

Z₃＝jZ_C3 tanθ₃

jX_L,m＝jZ_c3 tanθ₃

jX_L,p＝jZ_c2 tanθ₂

若θ₁、θ₂、θ₃有解，则解出θ₁、θ₂、θ₃并作为同一组记录下来，每次解出的θ₁、θ₂、θ₃均分别记录，并进入步骤五；否则，直接进入步骤五；

步骤五、若Z_C3＜150，则将Z_C3增大一，并执行一次步骤四；若Z_C3＝150且Z_C2＜150，则将50赋值给Z_C3，将Z_C2增大一，并执行一次步骤四；若Z_C3＝150，Z_C2＝150且Z_C1＜150，则将50赋值给Z_C2和Z_C3，将Z_C1增大一，并执行一次步骤四；若Z_C3、Z_C2及Z_C1均等于150，则进入步骤六；

步骤六、在步骤四和五中解出的各组θ₁、θ₂、θ₃中选择最小的一组分别作为第一微带线的电长度θ₁′、第二微带线的电长度θ₂′、第三微带线的电长度θ₃′；进而将第一微带线、第二微带线和第三微带线连接成负载调制网络；

步骤七、将功分器、步骤一所得的载波功率放大电路、步骤二所得的峰值功率放大电路和步骤六所得的负载调制网络组合起来构成Doherty功率放大器。

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