CN110504926A - 一种多带Doherty功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种Doherty功率放大器，包括功分器、第一输入匹配网络、第二输入匹配网络、相位补偿器、第一功率放大器CG1、第二功率放大器CG2、第一阻抗逆变器、第二阻抗逆变器和后匹配网络。设置第一阻抗逆变器的特征阻抗ZT1为Ropt，相移为θ，设置第二阻抗逆变器特征阻抗ZT2为Ropt，相移为2θ。通过将第二阻抗逆变器的相移设置为第一阻抗逆变器相移的两倍，能够通过交换第一功率放大器和第二功率放大器栅极偏置电压使得本发明工作在两种工作模式下。该两种模式可以工作于多频段，且在这些频段上实现高效率、高增益。

Description

一种多带Doherty功率放大器
技术领域
本发明涉及无线通信系统领域，具体涉及一种Doherty功率放大器。
背景技术
为了适应通信系统对回退效率的要求，Doherty功率放大器被学者提出。Doherty功率放大器通常由两个功率放大器组成，主功率放大器通常偏置在B类，辅助功率放大器通常偏置在C类。当输入信号功率较小的时候，此时载波功率放大器工作，峰值功率放大器不工作。载波功率放大器阻抗逆变器保证了功率回退时的匹配。因此Doherty功率放大器在功率回退区效率也比较高。当输入功率饱和时，此时载波功率放大器和峰值功率放大器同时工作，且载波功率放大器和峰值功率放大器输出匹配网络都保证了饱和状态时的匹配。因此Doherty功率放大器在功率饱和时性能良好。但是传统的Doherty功率放大器带宽窄，不能同时工作在多个频段。
时代的进步要求通信系统能够在多个标准下工作，无人驾驶技术的发展要求移动基站工作在多个频段，5G的到来要求通信系统覆盖频段更多，通信技术的发展要求Doherty功率放大器能同时工作在多个频段而且性能良好。
传统的Doherty功率放大器由于晶体管的寄生参数、合成网络的影响，导致传统的Doherty功率放大器带宽窄，很难同时工作在相距较远的频段。
为了拓宽Doherty功率放大器的频段，提出了许多方法，比如后匹配结构、复数阻抗负载、集成补偿电阻。
为了使Doherty功率放大器满足通信系统多频段的要求，多频段Doherty功率放大器日益成为学者研究的热点。目前，国内外学者提出了许多实现多频段Doherty功率放大器的方法，双带Doherty功率放大器、三带Doherty功率放大器甚至是四带Doherty功率放大器相继被提出。但是，多频段Doherty功率放大器性能还需要进一步提升。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种多带Doherty功率放大器，具体技术方案如下：
一种多带Doherty功率放大器，其特征在于：包括功分器、第一输入匹配网络、第二输入匹配网络、相位补偿器、第一功率放大器CG1、第二功率放大器CG2、第一阻抗逆变器、第二阻抗逆变器和后匹配网络；
设置第一阻抗逆变器的特征阻抗ZT1为Ropt，相移为θ；
设置第二阻抗逆变器特征阻抗ZT2为Ropt，相移为2θ；
所述功分器将输入信号分为第一支路信号和第二支路信号；
所述第一支路信号经相位补偿器处理得到移相后的信号，该移相后的信号进入到第一输入匹配网络，所述第一输入匹配网络用于将移相后的信号阻抗与第一功率放大器CG1的输入阻抗匹配，所述第一功率放大器CG1的栅极为功放的输入端；
第一偏置电压源VG1通过第一输入匹配网络为第一功率放大器CG1提供栅极偏置电压X；
所述第一功率放大器CG1的漏极与第一阻抗逆变器输入端相连，该第一阻抗逆变器的输出端与后匹配网络输入端相连；
所述第二支路信号进入到第二输入匹配网络，所述第二输入匹配网络用于将第二支路信号阻抗与第二功率放大器CG2的输入阻抗匹配，所述第二功率放大器CG2的栅极为功放的输入端；
第二偏置电压源VG2通过第二输入匹配网络为第二功率放大器CG2提供栅极偏置电压Y；
所述第二功率放大器CG2源极接地，在第二功率放大器CG2的栅极与第二偏置电压源相连，漏极与第二阻抗逆变器输入端相连，该第二阻抗逆变器的输出端与后匹配网络输入端相连；
当偏置电压X和偏置电压Y的值互换时，第一功率放大器CG1和第二功率放大器CG2交换工作状态。
进一步地：所述后匹配网络用于将50Ω匹配到Ropt/2。
进一步地：在第一功率放大器CG1作为载波功率放大器时，第一阻抗逆变器在饱和状态下，从输出端到输入端的匹配为，从Ropt匹配到Ropt，在回退状态下，从输出端到输入端的匹配为，从Ropt/2匹配到2Ropt；
在第二功率放大器CG2作为载波功率放大器时，第二阻抗逆变器在饱和状态下，从输出端到输入端的匹配为，从Ropt匹配到Ropt，在回退状态下，从输出端到输入端的匹配为，从Ropt/2匹配到2Ropt。
进一步地：第一功率放大器CG1支路相位补偿器特征阻抗设置为50Ω，相移设置为θ，用于确定第一支路信号和第二支路信号的相移相同。
进一步地：当第一偏置电压源VG1偏置电压值为X，第二偏置电压源VG2偏置电压值为Y时为第一工作模式，第一功率放大器CG1作为载波功率放大器偏置在B类，第二功率放大器CG2作为峰值功率放大器偏置在C类；
当第一偏置电压源VG1偏置电压值为Y，第二偏置电压源VG2偏置电压值为X时为第二工作模式，第一功率放大器CG1作为峰值功率放大器偏置在C类，第二功率放大器CG2作为载波功率放大器偏置在B类。
本发明的有益效果为：设置第一阻抗逆变器和第二阻抗逆变器，且第二阻抗逆变器的相移为第一阻抗逆变器的两倍，然后交换栅极偏置电压使得本发明能够工作在两种工作模式下；
当第一偏置电压源VG1偏置电压值为X，第二偏置电压源VG2偏置电压值为Y时为第一工作模式，第一功率放大器CG1作为载波功率放大器偏置在B类，第二功率放大器CG2作为峰值功率放大器偏置在C类；
当第一偏置电压源VG1偏置电压值为Y，第二偏置电压源VG2偏置电压值为X时为第二工作模式，第一功率放大器CG1作为峰值功率放大器偏置在C类，第二功率放大器CG2作为载波功率放大器偏置在B类。
该两种模式可以工作于多频段，且在这些频段上实现高效率、高增益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明当fc＝2GHz,时，工作模式一对应的归一化阻抗与频率的关系图；
图3为本发明当fc＝2GHz,时，工作模式二对应归一化阻抗与频率的关系图；
图4为本发明具体电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
根据功率回退区的归一化阻抗与频率关系图，且已知功率回退区的归一化阻抗在2Ropt到3Ropt之间对应频率段功放性能良好。
如图1所示，设置第一阻抗逆变器的特征阻抗ZT1为Ropt，Ropt为功放工作在B类的最佳阻抗，其相移为θ。对应的ABCD矩阵为：
第二阻抗逆变器的特征阻抗ZT2为Ropt，其相移为2θ。对应的ABCD矩阵为：
其中θ满足以下关系：
为相移的斜率，f0＝f/fc其中fc为的频率，f是频率，作为自变量。
第二功率放大器CG2输出阻抗Z01表示如下：
Z01＝ZT2/j tan 2θ
负载阻抗ZL设为Ropt/2，第一阻抗逆变器特征阻抗ZT1设为Ropt。
第一功率放大器CG1在功率回退区的归一化阻抗ZCBO1表示为：
此时本发明工作在模式1中，第一功率放大器CG1作为载波功放，第二功率放大器CG2作为峰值功放，此时CG1功放偏置在B类。此时CG2功放偏置在C类。
已知归一化阻抗在2Ropt-3Ropt之间对应频率段性能良好，选择和fc后，根据表达式(1)和表达式(2)得到对应的归一化阻抗ZCBO1与频率的关系图。
在得到归一化阻抗ZCBO1与频率的关系图后，选取2Ropt对应的频率即为性能良好的频率段。
第一功率放大器CG1的输出阻抗Z02表示如下：
Z02＝ZT1/j tanθ
负载阻抗ZL设为Ropt/2,阻抗逆变器特征阻抗ZT设为Ropt。
第二功率放大器CG2在功率回退区的归一化阻抗ZCBO2可表示为：
此时本发明工作在模式2，第一功率放大器CG1作为峰值功放，第二功率放大器CG2作为载波功放。此时第一功率放大器CG1的偏置在C类，此时第二功率放大器CG2的偏置在B类。
在输出功率回退区，当第二功率放大器CG2的功率回退阻抗ZCBO2在某些频段最大等于3Ropt，此时第二功率放大器CG2为过饱和状态，仍然可以达到较高的回退效率，则说明本发明在3Ropt对应的频段性能良好。
根据表达式(1)和表达式(3)得到对应的归一化阻抗ZCBO2与频率的关系图。选取3Ropt对应的频率即为性能良好的频率段。
此处以具体设计一个工作于1.6，2.45，3.7，4.6，2，4.1GHz的多频段双模式Doherty功率放大器为例，先设置和fc的初始值，此处fc＝2GHz,在工作模式1中，根据公式(1)和公式(2)得到图2所示的归一化阻抗ZCBO1与频率的关系图，如图2所示，在假设情况下，第一功率放大器CG1作为载波功放在功率回退区的归一化阻抗为2Ropt时，对应的f＝2GHz和f＝4.1GHz时取得良好性能。
在工作模式2中，根据公式(1)和公式(3)得到图3所示的归一化阻抗ZCBO2与频率的关系图，如图3所示，在假设情况下，第二功率放大器CG2作为载波功放在功率回退区的归一化阻抗达到最大值为3Ropt时，对应的f＝1.6，2.45，3.7，4.6GHz时，且此时第二功率放大器CG2为过饱和状态，仍然可以达到较高的回退效率，此时Doherty功放在这些频段取得良好性能。
本发明选取的一个工作于1.6，2.45，3.7，4.6，2，4.1GHz的具体电路原理图，如图4所示：
在本实施例中，第一功率放大器CG1和第二功率放大器CG2采用的晶体管为GaNHEMTs CGH4006s，功放漏极偏置电压VD为28V,功放工作在B类的最佳阻抗Ropt为62Ω。
本实例采用厚度为31mil的罗杰斯5880基板。基板的相对介电常数为2.2损耗角正切值tanD为0.0009。
第一功率放大器CG1为图4中的CG1、第二功率放大器CG2为图4中的CG2、第一输入匹配网络对应于图4中IMN1模块、第二功率放大器CG2输入匹配网络对应于图4中IMN2模块、第一功率放大器CG1支路相位补偿器为图4中OMN3模块、第一阻抗逆变器为图4中的OMN1模块、第二阻抗逆变器为图4中的OMN2模块、后匹配网络为图4中的Q模块、第一偏置电压源VG1为图4中VG1，第二偏置电压源VG2为图4中VG2；
IMN1模块用于确保信号源阻抗与CG1功率放大器的输入阻抗之间的匹配；
IMN2模块用于确保信号源阻抗与CG2功率放大器输入阻抗之间的匹配；
OMN1模块的特征阻抗ZT1为Ropt，其相移为θ，当第一功率放大器CG1作为载波功率放大器时，OM1模块一方面保证饱和状态的匹配，OM1模块从输出端到输入端的匹配为，从Ropt到Ropt的匹配，也要保证回退状态的匹配，OM1模块从输出端到输入端的匹配为，即Ropt/2与2Ropt之间的匹配。同时，当第一功率放大器CG1作为峰值功放时,OM1模块也会改变第一功率放大器CG1的输出阻抗,为模式2中第二功率放大器CG2作为载波功率放大器在功率回退区取得良好性能提供条件。具体为，OM1模块改变第一功率放大器CG1的输出阻抗，然后第一功率放大器CG1的输出阻抗并联ZL，决定了第二功率放大器CG2回退区阻抗ZCB02,为模式二功放性能良好提供条件。
OMN2模块为第二功率放大器CG2的阻抗逆变器网络，其特征阻抗ZT2为Ropt，其相移为2θ。当第二功率放大器CG2作为载波功率放大器时，OMN2模块既要保证饱和状态的匹配，OMN2模块从输出端到输入端的匹配为，即Ropt与Ropt之间的匹配，也要保证回退状态的匹配，OMN2模块从输出端到输入端的匹配为，即Ropt/2与2Ropt之间的匹配。同时，当第二功率放大器CG2作为峰值功放时,OMN2模块也会改变第二功率放大器CG2的输出阻抗。为模式1中第一功率放大器CG1作为载波功率放大器在功率回退区取得良好性能提供条件。
具体为，OM2模块改变第二功率放大器CG2的输出阻抗，然后第二功率放大器CG2的输出阻抗并联ZL，决定了第一功率放大器CG1回退区阻抗ZCB01,为模式一功放性能良好提供条件。
OMN3模块为相位补偿器，其特征阻抗为50Ω，设置为50Ω是为了不影响输入匹配，其相移为θ。设置为θ是为了保证饱和状态时，位于第一功率放大器CG1的支路和第二功率放大器CG2支路相移相等。
当X＝-2.9V，Y＝-5.7V，此时本发明工作在模式1，CG1功率放大器作为载波功率放大器偏置在B类，CG2功率放大器作为峰值功率放大器偏置在C类。此时本发明工作在f＝2GHz和f＝4.1GHz频段。
当X＝-5.7V，Y＝-2.9V，此时本发明工作在模式2，CG1功率放大器作为峰值功率放大器偏置在C类，CG2功率放大器作为载波功率放大器偏置在B类。此时本发明工作在f＝1.6，2.45，3.7，4.6GHz频段。

Claims (5)

1.一种多带Doherty功率放大器，其特征在于：包括功分器、第一输入匹配网络、第二输入匹配网络、相位补偿器、第一功率放大器CG1、第二功率放大器CG2、第一阻抗逆变器、第二阻抗逆变器和后匹配网络；
所述功分器将输入信号分为第一支路信号和第二支路信号；
所述第一支路信号经相位补偿器处理得到移相后的信号，该移相后的信号进入到第一输入匹配网络，所述第一输入匹配网络用于将移相后的信号阻抗与第一功率放大器CG1的输入阻抗匹配，所述第一功率放大器CG1的栅极为功放的输入端；
第一偏置电压源VG1通过第一输入匹配网络为第一功率放大器CG1提供栅极偏置电压X；
所述第一功率放大器CG1的漏极与第一阻抗逆变器输入端相连，该第一阻抗逆变器的输出端与后匹配网络输入端相连；
所述第二支路信号进入到第二输入匹配网络，所述第二输入匹配网络用于将第二支路信号阻抗与第二功率放大器CG2的输入阻抗匹配，所述第二功率放大器CG2的栅极为功放的输入端；
第二偏置电压源VG2通过第二输入匹配网络为第二功率放大器CG2提供栅极偏置电压Y；
所述第二功率放大器CG2源极接地，在第二功率放大器CG2的栅极与第二偏置电压源相连，漏极与第二阻抗逆变器输入端相连，该第二阻抗逆变器的输出端与后匹配网络输入端相连；
当偏置电压X和偏置电压Y的值互换时，第一功率放大器CG1和第二功率放大器CG2交换工作状态。
2.根据权利要求1所述一种Doherty功率放大器，其特征在于：所述后匹配网络用于将50Ω匹配到Ropt/2。
3.根据权利要求1所述一种Doherty功率放大器，其特征在于：在第一功率放大器CG1作为载波功率放大器时，第一阻抗逆变器在饱和状态下，从输出端到输入端的匹配为，从Ropt匹配到Ropt，在回退状态下，从输出端到输入端的匹配为，从Ropt/2匹配到2Ropt；
在第二功率放大器CG2作为载波功率放大器时，第二阻抗逆变器在饱和状态下，从输出端到输入端的匹配为，从Ropt匹配到Ropt，在回退状态下，从输出端到输入端的匹配为，从Ropt/2匹配到2Ropt。
4.根据权利要求1所述一种Doherty功率放大器，其特征在于：所述相位补偿器特征阻抗设置为50Ω，相移设置为θ，用于确定第一支路信号和第二支路信号的相移相同。
5.根据权利要求1所述一种Doherty功率放大器，其特征在于：当第一偏置电压源VG1偏置电压值为X，第二偏置电压源VG2偏置电压值为Y时为第一工作模式，第一功率放大器CG1作为载波功率放大器偏置在B类，第二功率放大器CG2作为峰值功率放大器偏置在C类；
当第一偏置电压源VG1偏置电压值为Y，第二偏置电压源VG2偏置电压值为X时为第二工作模式，第一功率放大器CG1作为峰值功率放大器偏置在C类，第二功率放大器CG2作为载波功率放大器偏置在B类。
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