CN109831164A - 基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器，包括：主功放、辅功放、位于所述主功放和辅功放的输出端的分布式功率合成网络以及位于所述辅功放输入端的分布式匹配网络。本发明基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器，解决了Doherty功率放大器的带宽限制问题，可以在集成电路工艺上实现宽带高回退效率的性能。

Description

基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器

技术领域

本发明属于微波功率放大器及集成电路技术领域，具体的涉及一种基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器。

背景技术

功率放大器(PA)是收发机中的主要耗能单元，提高功放的效率对降低整个通信系统的功耗至关重要。为了提高频谱利用率，现代通信信号往往使用OFDM、CDMA等复杂的调制方式，带来了高峰均比(PAPR)的问题。这种高PAPR给射频功率放大器的设计带来了困难，尤其是对功率放大器的效率指标带来了不利的影响。传统的AB类功率放大器在饱和功率附近有较高的效率，而当输出功率降低时，其效率急剧下降。由于在高PAPR下功率放大器大部分时间工作在回退功率区，使得AB类功率放大器的效率远远低于其饱和效率。

提高回退效率的方案有多种，包括Doherty技术、包络跟踪技术(ET)、Outphasing技术等。其中，ET技术中的包络放大器带宽受限，支持的信号带宽通常小于40MHz，难以应用在5G通信等信号带宽很宽的场景。Outphasing技术需要进行数字信号分解，当信号带宽较宽时，数字功耗会很高，降低整体效率。Doherty技术由于其结构简单，效率高，可以与传统功率放大器原位替换等优点，成为在通信基站中应用最为广泛的高效率功率放大器技术。但是Doherty功放需要使用四分之一波长线来实现合理的负载调制，这限制了它的射频带宽。在板级Doherty功放的设计中，目前已经有很多种方法，如电抗补偿、谐波连续模式等，可以提升带宽。最新报道的宽带Doherty功放设计已经能够实现超过50％的带宽，可以覆盖大部分4G通信频段。5G通信中许多新的频段被采用，其中sub-6GHz频段大致分布在3.3-5.0GHz之间，为了覆盖这些频段Doherty功放应该至少有41％的带宽。与4G通信不同，5G通信会采用Massive MIMO技术，这意味着收发系统中会有很多功放单元，单个功放的功率要求会降低，但是功放模块要求实现小型化。在这种情况下，基于集成电路工艺的单片(MMIC)功放是比较好的解决方案。然而由于芯片尺寸及无源网络损耗的限制，板级Doherty功放宽带化方法很难应用在MMIC功放设计中，目前报道的MMIC Doherty功放通常小于30％。为了解决Doherty功放的带宽限制问题，需要探索一些新的功放结构。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器，以至少部分解决以上所存在的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器，其特征在于，包括：主功放、辅功放、位于所述主功放和辅功放的输出端的分布式功率合成网络以及位于所述辅功放输入端的分布式匹配网络。

在一些实施例中，所述分布式功率合成网络包括N段特性阻抗分别为Zd0、Zd1、Zd2、...、ZdN-1的四分之一波长线。

在一些实施例中，所述分布式匹配网络包括N+1段特性阻抗分别为Zg0、Zg1、Zg2、...、ZgN的传输线。

在一些实施例中，所述分布式匹配网络还包括N个电容C_g1、C_g2、...、Cg_N，每个电容的第一端与一段所述传输线连接，第二端接地。

在一些实施例中，所述功率放大器包括N个所述辅功放Au1、Au2、...、AuN，其中，每个辅功放的输入端与所述分布式匹配网络连接，输出端与所述分布式功率合成网络连接。

在一些实施例中，所述的功率放大器还包括：

功分器；以及

主功放的输入匹配网络，其第一端与所述功分器连接，第二端与所述主功放连接。

在一些实施例中，所述的功率放大器还包括：辅功放的整体输入匹配网络，其第一端与所述功分器连接，第二端与所述分布式匹配网络连接。

在一些实施例中，所述的功率放大器还包括：宽带后匹配网络，与所述分布式功率合成网络连接。

在一些实施例中，所述的功率放大器还包括相位补偿线，连接在所述功分器与所述辅功放的整体输入匹配网络之间。

在一些实施例中，所述主功放偏置在AB类，所述辅功放偏置在C类。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本发明所述主功放和辅功放的输出端采用分布式功率合成网络，所述辅功放输入端采用分布式匹配网络，解决了Doherty功率放大器的带宽限制问题，可以在集成电路工艺上实现宽带高回退效率的性能。

(2)通过所述相位补偿线Delay实现了所述主功放和所述辅功放之间的相位对齐。

(3)通过所述N+1段传输线与所述辅功放晶体管的输入电容结合，可以在很宽的频带内等效为特性阻抗为R_g的传输线，实现辅功放的输入阻抗匹配。

附图说明

图1为基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器结构示意图。

图2为低功率区等效输出网络示意图。

图3为饱和区等效输出网络示意图。

图4为辅功放分布式输入网络示意图。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

针对Doherty功放的带宽限制问题，本发明提出了基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器(Distributed Input and Output Efficient Power Amplifier，DEPA)，有助于在集成电路工艺上实现宽带高回退效率的性能。

本发明DEPA包括主功放(Main PA)和辅功放(Auxiliary PA)，所述主功放和辅功放的输出端采用分布式功率合成网络，所述辅功放输入端采用分布式匹配网络，由此解决了Doherty功率放大器的带宽限制问题，可以在集成电路工艺上实现宽带高回退效率的性能。

如图1所示，本发明功率放大器包括一个主功放(Main)和N个辅功放(Aux1、Aux2、...、AuxN)。其中，所述主功放偏置在AB类，所述辅功放偏置在C类。

所述主辅功放的功率合成网络包括N段特性阻抗分别为Zd0、Zd1、Zd2、...、ZdN-1的四分之一波长线。

所述辅功放的分布式匹配网络包括N+1段特性阻抗分别为Zg0、Zg1、Zg2、...、ZgN的传输线，所述辅功放的分布式匹配网络还包括N个电容Cg1、Cg2、...、CgN，通过所述N+1段特性阻抗分别为Zg0、Zg1、Zg2、...、ZgN的传输线与所述N个辅功放的输入电容结合，可以在很宽的频带内等效为特性阻抗为R_g的传输线，实现良好的输入匹配。另外，所述N+1段传输线还用于实现所述辅功放之间的相位同步。

请继续参照图1所示，所述DEPA还包括功分器Splitter、主功放的输入匹配网络IMN_M、相位补偿线Delay、辅功放的整体输入匹配网络IMN_A以及宽带后匹配网络PMN。

其中，所述功分器Splitter为一宽带功分器，用于将输入功率合理的分配到主功放和辅功放，常用的功分比为3dB，实际的功分比可以根据需要进行调整，本发明对此不作限制。

所述主功放的输入匹配网络IMN_M，用于将主功放晶体管的输入阻抗匹配到标准阻抗50欧姆。

所述相位补偿线Delay为特性阻抗为50欧姆的传输线，用于实现主辅功放的相位对齐，通过选择合适的辅功放输入匹配网络，Delay也可以被吸收进IMN_A中。

所述辅功放的整体输入匹配网络IMN_A，用于将辅功放的分布式匹配阻抗R_g匹配到标准阻抗50欧姆。

所述宽带后匹配网络PMN，用于将50欧姆端口阻抗匹配到负载阻抗R_L。

下面结合图2-4介绍本发明DEPA的工作原理。

在辅功放漏极供电电压确定的情况下，根据所需的饱和输出功率，可以确定DEPA的负载阻抗R_L。根据所需的功率回退范围，可以确定主功放的输出功率，进而确定其最佳负载阻抗R_M。在低功率区，只有主功放工作，辅功放输出端呈现开路，等效输出网络如图2所示，其中特性阻抗Zd0的值为R_M。通过合理的选择四分之一波长线的节数和每一节的特性阻抗，可以在很宽的频带内将R_L匹配到主功放负载阻抗R_M，从而保证回退性能。考虑到晶体管的输出寄生参数，每节传输线的实际特性阻抗和电长度可能需要做出调整。随着输入功率的增大，所有辅功放会同时导通，饱和区的等效输出网络如图3所示，其中，I_M为主功放的饱和电流，I_A1、I_A2、...、I_AN为辅功放的饱和电流。为了保证主功放及每个辅功放在饱和区能达到最佳性能，输出网络需要为每个晶体管提供最佳负载阻抗。这要求辅功放的饱和电流需要根据Zd0、Zd1、Zd2、...、ZdN-1和R_L的值来确定，进而确定每个辅功放晶体管的尺寸。如果采用相同的辅功放晶体管，就需要对Zd1、Zd2、...、ZdN-1的值作出约束，这会在一定程度上限制回退区的匹配带宽。从辅功放导通到DEPA完全饱和的过程中，主功放的负载阻抗始终保持为R_M，而每个辅功放的负载阻抗会由于负载调制效应逐渐减小，最后达到其最佳负载阻抗。理论上，回退点和饱和点能够达到相同的效率，而且由于采用了多节四分之一波长线匹配，这种高回退效率特性可以在很宽的频带内得到保持。与Doherty功率放大器不同，DEPA的主功放负载阻抗不受负载调制效应的影响，在整个功率区保持不变，从回退点到饱和点增加的输出功率完全由辅功放提供。

为了保证图3中每个节点处的电流能够同相叠加，辅功放的输入网络需要对每一路辅功放的相位进行调整。如图1所示，本发明采用了分布式的辅功放输入网络，等效电路如图4所示，其中C_g1、C_g2、...、C_gN为辅功放的输入电容。通过优化传输线的特性阻抗和电长度，可以使相邻辅功放之间的输入相位滞后与输出相位滞后相同，从而保证同相电流叠加。所述主功放和辅功放之间的相位对齐可以由图1中的相位补偿线Delay来保证。另外，图4中的N+1段传输线，与辅功放晶体管的输入电容C_g1、C_g2、...、C_gN，可以在很宽的频带内等效为特性阻抗为R_g的传输线，实现辅功放的输入阻抗匹配。如果R_g不是50欧姆，可以由图1中IMN_A把R_g变换到50欧姆。理论上，每个辅功放的输入功率应该相同，保证它们可以同时导通和饱和。通过对图4中的网络进行优化，可以尽可能的保证这一点。实际上，由于不同辅功放输入电容以及所处位置的差异，其输入功率会有一定差别。通过在辅功放输入端串联不同的电容，可以在一定程度上改善功率差异，但是由于分压效应，增益会下降。在实际应用时，可以根据具体的性能权衡是否串联电容。

与现有Doherty功率放大器相比，本发明提出的基于分布式输入输出结构的高回退效率功放的带宽得到了很大的提升，而且其结构简单，便于在集成电路工艺上实现，在5G通信中具有很大的应用潜力。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器(DEPA)有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于分布式输入输出结构的高回退效率功率放大器，其特征在于，包括：主功放、辅功放、位于所述主功放和辅功放的输出端的分布式功率合成网络以及位于所述辅功放输入端的分布式匹配网络。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述分布式功率合成网络包括N段特性阻抗分别为Zd0、Zd1、Zd2、...、ZdN-1的四分之一波长线。

3.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述分布式匹配网络包括N+1段特性阻抗分别为Zg0、Zg1、Zg2、...、ZgN的传输线。

4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述分布式匹配网络还包括N个电容C_g1、C_g2、...、Cg_N，每个电容的第一端与一段所述传输线连接，第二端接地。

5.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器包括N个所述辅功放Au1、Au2、...、AuN，其中，每个辅功放的输入端与所述分布式匹配网络连接，输出端与所述分布式功率合成网络连接。

6.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，还包括：

功分器；以及

主功放的输入匹配网络，其第一端与所述功分器连接，第二端与所述主功放连接。

7.根据权利要求6所述的功率放大器，其特征在于，还包括：辅功放的整体输入匹配网络，其第一端与所述功分器连接，第二端与所述分布式匹配网络连接。

8.根据权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，还包括：宽带后匹配网络，与所述分布式功率合成网络连接。

9.根据权利要求8所述的功率放大器，其特征在于，还包括相位补偿线，连接在所述功分器与所述辅功放的整体输入匹配网络之间。

10.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述主功放偏置在AB类，所述辅功放偏置在C类。