CN109660212B - 一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器，包括第一功分器、第二功分器、载波放大电路、第一峰值放大电路、第二峰值放大电路、第一λ/4阻抗变换线以及第二λ/4阻抗变换线。本发明在传统3路Doherty功率放大器中，载波放大器的所需负载条件只能在中心频率f0处满足，由于λ/4阻抗变换线的相位色散，载波负载阻抗将随着频率偏移f0而降低，这导致回退效率的降低并因此限制了3路Doherty功率放大器的工作带宽。本发明通过在第一和第二峰值放大器的输出之后插入第一和第二λ/4阻抗变换线，可以产生等效电抗，在峰值放大器关闭时补偿载波放大器在功率回退时的阻抗变化，这可以扩展Doherty功率放大器的带宽。

Description

一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器。
背景技术
随着无线通信的快速发展，移动通信传输的信息量不断增大，数据速率逐步提高，对功率放大器的性能要求也随之提高。传统3路Doherty功率放大器采用的有源负载调制技术，存在低频和高频时载波负载阻抗随着频率偏移而减小的问题，导致了宽频带内回退效率的降低，从而制约了3路Doherty的工作带宽，不能满足未来移动通信的发展需求。
为了在宽频带内对信号进行放大，要求功率放大器拥有较宽的工作带宽，并且在功率回退时具有较高的效率。传统3路Doherty功率放大器如图1所示，其基本工作原理分为三个状态。1)低功率状态：输入信号较低，尚未达到两个峰值放大器的开启电压，只有载波放大器向负载提供电流。在第三和第四λ/4阻抗变换线的作用下，载波放大器输出端的有效负载阻抗达到高阻抗状态，使得载波放大器提前实现电压饱和并达到最佳效率，即整个Doherty功率放大器的第一个效率最高点。2)中等功率状态：输入信号增大，超过第一峰值放大器的开启电压，第一峰值放大器开始工作，并与载波放大器一起向负载提供电流。通过有源负载调制，载波放大器输出端的阻抗将减小，向负载提供的电流将增大。载波放大器和第一峰值放大器输出功率随着输入功率增大，直到第一峰值放大器输出饱和。第一峰值放大器的饱和点也是整个放大器的第二个效率最高点。3)大功率状态：输入信号水平超过第二峰值放大器的门限值，第二峰值放大器将开始向负载提供电流。第一峰值放大器和第二峰值放大器电流将一起增加直到第二峰值放大器达到饱和状态，此时将出现第三个效率最高点。传统3路Doherty功率放大器可以实现比传统2路Doherty功率放大器中6dB功率回退更大的回退范围，可以有效地放大未来移动通信中峰均比高于6dB的调制信号。
通过研究发现，传统3路Doherty功率放大器只能在中心频率时的大功率回退范围内达到高效率。当输入信号频率偏离中心频率时，由于λ/4阻抗变换线的相位色散影响，载波放大器的有效负载阻抗将大大下降，在低频和高频时的回退效率随之降低，从而制约了传统3路Doherty功率放大器的带宽。因此，如何设计宽频带内具有高回退效率的3路Doherty功率放大器有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器，即通过在第一和第二峰值放大器的输出之后插入λ/4阻抗变换线以产生等效电抗，在峰值放大器关闭时补偿载波放大器功率回退时的阻抗变化来扩展3路Doherty功率放大器的带宽。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器，包括第一功分器(10)、载波放大电路(20)、第二功分器(30)、第一峰值放大电路(40)、第二峰值放大电路(50)、第一λ/4阻抗变换线(70)和第二λ/4阻抗变换线(60)；其特征在于：输入信号连接所述第一功分器(10)的输入端，所述第一功分器(10)的上路输出端连接所述载波放大电路(20)，下路输出端连接所述第二功分器(30)的输入端；所述第二功分器(30)的上路输出端连接所述第一峰值放大电路(40)，下路输出端连接所述第二峰值放大电路(50)；所述载波放大电路(20)由载波相位补偿线(201)、载波输入匹配网络(202)、载波功放管(203)和载波输出匹配网络(204)串联连接组成；所述第一峰值放大电路(40)由第一峰值相位补偿线(401)、第一峰值输入匹配网络(402)、第一峰值功放管(403)以及第一峰值输出匹配网络(404)串联连接组成；所述第二峰值放大电路(50)由第二峰值相位补偿线(501)、第二峰值输入匹配网络(502)、第二峰值功放管(503)以及第二峰值输出匹配网络(504)串联连接组成；所述第二峰值放大电路(50)通过第二λ/4阻抗变换线(60)与所述第一峰值放大电路(40)输出端(在B点)连接，再通过第一λ/4阻抗变换线(70)与所述载波放大电路输出端(在A点)连接。其中，λ是Doherty功率放大器工作频率对应的波长，所述第一λ/4阻抗变换线(70)与所述第二λ/4阻抗变换线(60)的特性阻抗分别为Z01和Z02，Z01和Z02为特定常数。
所述第一功分器(10)将输入信号等分输出为第一功分器上路信号和第一功分器下路信号，第一功分器上路信号输出至载波放大电路(20)，第一功分器下路信号输出至第二功分器(30)。
所述第二功分器(30)将输入信号等分输出为第二功分器上路信号和第二功分器下路信号，第二功分器上路信号输出至第一峰值放大电路(40)，第二功分器下路信号输出至第二峰值放大电路(50)。
所述载波相位补偿线(201)、第一峰值相位补偿线(401)和第二峰值相位补偿线(501)分别用于调节载波放大电路(20)、第一峰值放大电路(40)和第二峰值放大电路(50)的信号相位差，使两路输出信号在A处相位相同。
所述载波功放管(203)为AB类功率放大器，第一峰值功放管(403)和第二峰值功放管(503)均为C类功率放大器，三者具有相同的饱和输出功率。
所述第一λ/4阻抗变换线(70)用于在低回退点之前产生补偿电抗以补偿载波放大电路(20)，减小相位色散，提高载波放大电路(20)在低频和高频时的有效负载阻抗和效率，拓展Doherty功率放大器的带宽；所述第二λ/4阻抗变换线(60)用于在高回退点之前产生补偿电抗以补偿第一峰值放大电路(30)，减小相位色散，提高第一峰值放大电路(30)在低频和高频时的有效负载阻抗和效率，拓展Doherty功率放大器的带宽。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明能增大带宽。在传统3路Doherty功率放大器中，载波放大器的所需负载条件只能在中心频率f0处满足，由于λ/4阻抗变换线的相位色散，载波负载阻抗将随着频率偏移f0而降低，这导致回退效率的降低并因此限制了3路Doherty功率放大器的工作带宽。本发明通过在第一和第二峰值放大器的输出之后插入第一和第二λ/4阻抗变换线，可以产生等效电抗，在峰值放大器关闭时补偿载波放大器在功率回退时的阻抗变化，这可以扩展Doherty功率放大器的带宽。
(2)本发明能降低损耗、提高效率。传统3路Doherty功率放大器中主路放大器输出端通过两端λ/4阻抗变换线与输出相接，而本发明的3路Doherty功率放大器中主路放大器输出端直接与输出相接，省略了变换线，降低了主路放大器输出端的损耗，从而提高了放大器的效率。
附图说明
图1传统3路Doherty功率放大器的结构框图。
图2本发明采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器的结构框图。
图3本发明实施例和传统3路Doherty功率放大器在低回退时载波放大器负载电阻和电抗随频率变化的对比图。
图4本发明实施例3路Doherty功率放大器在高回退和饱和时载波放大器负载阻抗的结果图。
图5本发明实施例3路Doherty功率放大器在中心频率时输出功率、增益和漏极效率随输入功率变化的关系图。
图6本发明实施例3路Doherty功率放大器9.5dB、6dB功率回退和饱和时漏极效率随频率变化的关系图。
图中：第一功分器10、载波放大电路20、载波相位补偿线201、载波输入匹配网络202、载波功放管203、载波输出匹配网络204、第二功分器30、第一峰值放大电路40、第一峰值相位补偿线401、第一峰值输入匹配网络402、第一峰值功放管403、第一峰值输出匹配网络404、第二峰值放大电路50、第二峰值相位补偿线501、第二峰值输入匹配网络502、第二峰值功放管503、第二峰值输出匹配网络504、第二λ/4阻抗变换线60和第一λ/4阻抗变换线70。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
图2所示为本发明的一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器，包括第一功分器10、载波放大电路20、第二功分器30、第一峰值放大电路40、第二峰值放大电路50、第一λ/4阻抗变换线70和第二λ/4阻抗变换线60；其特征在于，所述载波放大电路20由载波相位补偿线201、载波输入匹配网络202、载波功放管203以及载波输出匹配网络204串联连接组成；所述第一峰值放大电路40由第一峰值相位补偿线401、第一峰值输入匹配网络402、峰值功放管403以及第一峰值输出匹配网络404串联连接组成；所述第二峰值放大电路50由第二峰值相位补偿线501、第二峰值输入匹配网络502、峰值功放管503以及第二峰值输出匹配网络504串联连接组成；所述第二峰值放大电路50通过第二λ/4阻抗变换线60与所述第一峰值放大电路40在B点连接，再通过第一λ/4阻抗变换线70与所述载波放大电路在A点连接。其中，λ是Doherty功率放大器工作频率对应的波长，所述第一λ/4阻抗变换线70与所述第二λ/4阻抗变换线60的特性阻抗分别为Z01和Z02，Z01和Z02为特定常数。
在上述的Doherty功率放大器中，第一功分器10将输入信号等分输出为第一功分器上路信号和第一功分器下路信号，第一功分器上路信号输出至载波放大电路20，第一功分器下路信号输出至第二功分器30。
在上述的Doherty功率放大器中，第二功分器30将输入信号等分输出为第二功分器上路信号和第二功分器下路信号，第二功分器上路信号输出至第一峰值放大电路40，第二功分器下路信号输出至第二峰值放大电路50。
在上述的Doherty功率放大器中，载波功放管203为AB类功率放大器，第一峰值功放管403和第二峰值功放管503均为C类功率放大器，三者具有相同的饱和输出功率。
在上述的Doherty功率放大器中，第一λ/4阻抗变换线70用于在低回退点之前产生补偿电抗以补偿载波放大电路20，减小相位色散，提高载波放大电路20在低频和高频时的有效负载阻抗和效率，拓展Doherty功率放大器的带宽；所述第二λ/4阻抗变换线60用于在高回退点之前产生补偿电抗以补偿第一峰值放大电路30，减小相位色散，提高第一峰值放大电路30在低频和高频时的有效负载阻抗和效率，拓展Doherty功率放大器的带宽。
本发明的工作原理是：第一功分器10将输入等分地输入到载波放大电路20和第二功分器30，第二功分器30再等分地输入到第一峰值放大电路40和第二峰值放大电路50。在低回退点之前，第一峰值放大电路40关闭，其输出阻抗开路，在峰值输出匹配网络的作用下变换成短路，产生补偿电抗以补偿载波放大电路20的负载阻抗。类似地，在高回退点之前，第二峰值放大电路50关闭，其输出阻抗在峰值输出匹配网络的作用下变换成短路，产生补偿电抗以补偿第一峰值放大电路40的负载阻抗。通过补偿载波放大电路20和第一峰值放大电路40功率回退时的阻抗变化来扩展3路Doherty功率放大器的带宽。
下面例举一个实施例。
本实施例3路Doherty功率放大器工作频率为1.7-2.6GHz，载波功放管203、第一峰值功放管403和第二峰值功放管503均采用CREE的GaN HEMT功放管CGH40010F。载波功放管203偏置在AB类，第一峰值功放管403和第二峰值功放管503均偏置在C类。第一功分器10和第二功分器30输出的两路信号的功率比为1:1。
图3为本发明实施例和传统3路Doherty功率放大器在低回退时载波放大器负载电阻和电抗随频率变化的对比图。其中，带有空心正方形的红色线条表示本实施例的载波放大器负载电阻和电抗，带有实心三角形的蓝色线条表示本实施例的载波放大器负载电阻和电抗。从图中可以看出传统3路Doherty功率放大器在输入信号频率偏离中心频率时，由于λ/4阻抗变换线的相位色散影响，载波放大器的有效负载阻抗大大下降，在低频和高频时的回退效率随之降低，从而制约了传统3路Doherty功率放大器的带宽。本发明在峰值支路中加入λ/4阻抗变换线，用于在低回退点之前产生补偿电抗以补偿载波放大电路，减小相位色散，提高载波放大电路在低频和高频时的有效负载阻抗，使其更接近理想情况，进而拓展Doherty功率放大器的带宽。
图4本发明实施例3路Doherty功率放大器在高回退和饱和时载波放大器负载阻抗的结果图。其中，带有空心正方形的红色线条表示在高回退时载波放大器负载阻抗，带有实心三角形的蓝色线条表示在饱和时载波放大器负载阻抗。结果表明，由于加入补偿电抗，在Doherty负载调制过程中，主路放大器的负载电阻和电抗在高功率时均得到补偿，从而接近于理想情况。而当放大器处于饱和状态时，由于补偿电抗是由峰值放大器在未开启时的输出阻抗产生，当峰值放大器开始工作后，这种补偿对饱和时负载阻抗的影响较小。
图5为本发明实施例3路Doherty功率放大器在中心频率时输出功率、增益和漏极效率随输入功率变化的关系图，其中，带有实心三角形的蓝色线条表示本实施例的漏极效率和输入功率的关系线条，带有实心方块的红色线条表示本实施例的输出功率和输入功率的关系线条，带有实心圆点的黑色线条表示本实施例的增益和输入功率的关系线条。从图中可以看出饱和功率大于46dBm，相应的漏极效率为60％。还可以观察到大的回退功率范围和Doherty型效率曲线的高效率，而最大增益约为10dB，增益压缩小于3dB。
图6为本发明实施例3路Doherty功率放大器9.5dB、6dB功率回退和饱和时漏极效率随频率变化的关系图，其中，带有实心三角形的黑色线条表示9.5dB功率回退可以实现的效率，带有实心圆点的蓝色线条表示6dB功率回退可以实现的效率，带有实心方块的红色线条表示饱和时的效率。从图中可以看出，饱和时漏极效率在55％-67％之间。在1.6至2.6GHz的9.5dB和6dB回退功率下，漏极效率分别为50％-56％和50％-63％。本发明实施例的3路Doherty功率放大器的相对工作带宽达到48％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器，其特征在于，包括第一功分器(10)、载波放大电路(20)、第二功分器(30)、第一峰值放大电路(40)、第二峰值放大电路(50)、第一λ/4阻抗变换线(70)和第二λ/4阻抗变换线(60)；
输入信号连接所述第一功分器(10)的输入端，所述第一功分器(10)的上路输出端连接所述载波放大电路(20)，下路输出端连接所述第二功分器(30)的输入端；所述第二功分器(30)的上路输出端连接所述第一峰值放大电路(40)，下路输出端连接所述第二峰值放大电路(50)；
所述载波放大电路(20)由载波相位补偿线(201)、载波输入匹配网络(202)、载波功放管(203)和载波输出匹配网络(204)串联连接组成；所述第一峰值放大电路(40)由第一峰值相位补偿线(401)、第一峰值输入匹配网络(402)、第一峰值功放管(403)以及第一峰值输出匹配网络(404)串联连接组成；所述第二峰值放大电路(50)由第二峰值相位补偿线(501)、第二峰值输入匹配网络(502)、第二峰值功放管(503)以及第二峰值输出匹配网络(504)串联连接组成；所述第二峰值放大电路(50)通过第二λ/4阻抗变换线(60)与所述第一峰值放大电路(40)的输出端连接，再通过第一λ/4阻抗变换线(70)与所述载波放大电路(20)的输出端连接，其中，λ是Doherty功率放大器工作频率所对应的波长；
所述第一λ/4阻抗变换线(70)用于在低回退点之前产生补偿电抗以补偿载波放大电路(20)，减小相位色散，提高载波放大电路(20)在低频和高频时的有效负载阻抗和效率，拓展Doherty功率放大器的带宽；
所述第二λ/4阻抗变换线(60)用于在高回退点之前产生补偿电抗以补偿第一峰值放大电路(30)，减小相位色散，提高第一峰值放大电路(30)在低频和高频时的有效负载阻抗和效率，拓展Doherty功率放大器的带宽；
在低回退点之前，第一峰值放大电路(40)关闭，其输出阻抗开路，在峰值输出匹配网络的作用下变换成短路，产生补偿电抗以补偿载波放大电路(20)的负载阻抗；在高回退点之前，第二峰值放大电路(50)关闭，其输出阻抗在峰值输出匹配网络的作用下变换成短路，产生补偿电抗以补偿第一峰值放大电路(40)的负载阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器，其特征在于：所述第一功分器(10)将输入信号等分输出为第一功分器上路信号和第一功分器下路信号，第一功分器上路信号输出至载波放大电路(20)，第一功分器下路信号输出至第二功分器(30)。
3.根据权利要求1所述的一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器，其特征在于：所述第二功分器(30)将输入信号等分输出为第二功分器上路信号和第二功分器下路信号，第二功分器上路信号输出至第一峰值放大电路(40)，第二功分器下路信号输出至第二峰值放大电路(50)。
4.根据权利要求1所述的一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器，其特征在于：所述载波相位补偿线(201)、第一峰值相位补偿线(401)和第二峰值相位补偿线(501)分别用于调节载波放大电路(20)、第一峰值放大电路(40)和第二峰值放大电路(50)的信号相位差，使两路输出信号在A处相位相同。
5.根据权利要求1所述的一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器，其特征在于：所述载波功放管(203)为AB类功率放大器，第一峰值功放管(403)和第二峰值功放管(503)均为C类功率放大器，三者具有相同的饱和输出功率。
6.根据权利要求1所述的一种采用电抗补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器，其特征在于：载波功放管(203)、第一峰值功放管(403)和第二峰值功放管(503)均采用CREE的GaN HEMT功放管CGH40010F，第一功分器(10)和第二功分器(30)输出的两路信号的功率比为1:1。
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