CN110971195A - 一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器 - Google Patents

一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器，功分器1的主路信号输出端顺序连接主路相位补偿线、主路放大电路中的主路输入匹配网络、主路功放管和主路输出匹配网络；功分器1的辅路信号输出端连接辅路相位补偿线、功分器2；功分器2的上路信号输出端顺序连接A辅路放大电路中的A辅路输入匹配网络、A辅路功放管和A辅路输出匹配网络；功分器2的下路信号输出端顺序连接B辅路放大电路中的B辅路输入匹配网络、B辅路功放管和B辅路输出匹配网络。功分器2的上下路信号在X点汇合，再通过λ/4阻抗变换线与主路放大电路在Y点连接。本发明能够增强高/低频率时的效率，进而展宽Doherty功率放大器的工作带宽。

Description

一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放 大器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器。
背景技术
随着技术的日益进步，无线通信在军事和民用两方面得到了广泛的应用。高速、高效率无线通信对功率放大器的高效率回退范围提出了很高的要求，使得高效率功率放大器成为当前研究的热点。为了实现对高峰均比调制信号的线性放大，功率放大器需要工作在于峰均比对应的功率回退区域，导致了功率放大器效率的显著下降。非对称Doherty功率放大器能够实现高于6dB的功率回退范围，在工程实践中得到了广泛的应用。
采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器如图1所示，功分器将输入信号分为两路同时进入到主路功率放大器(偏置在AB类)和辅路功率放大器(偏置在C类)，主路和辅路功率放大器的饱和功率比为1:2。主路放大器之后的四分之一波长线起到阻抗变换的作用，在辅路放大器输出电流的作用下对主路功率放大器进行有源负载调制，从而提升功率放大器的回退效率。辅路放大器之前的相位补偿线用于确保两路信号在合路点的相位一致。其基本工作原理分为两个状态：(1)低功率状态：辅路放大器还未导通，其输出端呈现开路状态。此时只有主路放大器工作，其负载阻抗在四分之一波长阻抗变换线的作用下变为最优负载阻抗Ropt的三倍，此时主路放大器提前进入饱和状态，效率达到最高。(2)高功率状态：辅路放大器处于导通状态，此时主路放大器和辅路放大器同时工作。在辅路放大器输出电流以及四分之一波长阻抗变换线的有源负载调制作用下，主路放大器的有效负载阻抗逐渐减小，在电压维持饱和的情况下，输出功率进一步增大，最终两者均进入饱和状态，达到最高效率。主/辅路功率比为1：2的传统非对称Doherty功率的功率回退范围为9dB。
通过研究发现，采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器的主路放大器和辅路放大器采用不同的晶体管，通过改变电路中功率分配器的功率分配比，让辅路功率放大器分得更多的功率。采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器可以获得很大的功率回退范围。但是，当工作频带变宽时，单个辅路放大器在短路点附近的输出阻抗范围增大，在λ/4阻抗变换线的作用下会导致严重的相位色散，对主路放大器有比较大的影响，限制了整个Doherty功率放大器的工作带宽。因此，采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器不能满足现代的高宽带、高效率的需求。如何设计具有更宽带宽的非对称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并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器，即通过采用并联的辅路放大器，相对于单个辅路放大器的情况，可以降低并联后的辅路输出阻抗，从而增大合路点处的辅路输出阻抗，减小高/低频率时对主路放大器的影响，提高高/低频率时的效率，进而展宽Doherty功率放大器的工作带宽。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器，包括功分器1(10)、主路相位补偿线(20)、辅路相位补偿线(30)、功分器2(40)、主路放大电路(50)、A辅路放大电路(60)、B辅路放大电路(70)和λ/4阻抗变换线(80)；其特征在于：输入信号连接所述功分器1(10)的输入端，所述功分器1(10)的主路输出端连接所述主路放大电路(50)的输入端，辅路输出端连接所述功分器2(40)的输入端；所述功分器2(40)的上路输出端连接所述A辅路放大电路(60)，下路输出端连接所述B辅路放大电路(70)；所述主路放大电路(50)由主路输入匹配网络(501)、主路功放管(502)和主路输出匹配网络(503)串联连接组成；所述A辅路放大电路(60)由A辅路输入匹配网络(601)、A辅路功放管(602)以及A辅路输出匹配网络(603)串联连接组成；所述B辅路放大电路(70)由B辅路输入匹配网络(701)、B辅路功放管(702)以及B辅路输出匹配网络(703)串联连接组成；所述B辅路放大电路(70)直接与所述A辅路放大电路(60)在X点连接，再通过λ/4阻抗变换线(80)与所述主路放大电路在Y点连接。其中，λ是Doherty功率放大器工作频率对应的波长，所述λ/4阻抗变换线(80)的特性阻抗分别为Z01，Z01为特定常数。
所述功分器1(10)将输入信号按照1：2的功率比输出给功分器1主路信号和功分器1辅路信号，功分器1主路信号输出至主路放大电路(50)，功分器1辅路信号输出至功分器2(40)。
所述功分器2(40)将输入信号等分输出为功分器2上路信号和功分器2下路信号，功分器2上路信号输出至A辅路放大电路(60)，功分器2下路信号输出至B辅路放大电路(70)。
所述主路相位补偿线(20)、辅路相位补偿线(30)分别用于调节主路放大电路(50)、A辅路放大电路(60)和B辅路放大电路(70)的信号相位差，使两路输出信号在Y处相位相同。
所述主路功放管(502)为AB类功率放大器，A辅路功放管(602)和B辅路功放管(702)均为C类功率放大器。主路放大电路(50)与A辅路放大电路(60)、B辅路放大电路(70)组合而成的总辅路放大电路的饱和输出功率比为1：2。
所述λ/4阻抗变换线(80)将A/B辅路并联输出阻抗转化为辅路输出阻抗，通过并联所述A辅路放大电路(60)和B辅路放大电路(70)，来降低A/B辅路并联输出阻抗，在λ/4阻抗变换线(80)的作用下，在更宽带宽内实现足够大的辅路输出阻抗，通过高/低频率处的辅路输出阻抗对主路放大电路(50)进行补偿，提高主路放大电路(50)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。在传统的非对称Doherty功率放大器中，主路放大器与辅路放大器的功率比为1：2，单个辅路放大器输出阻抗的分布是以短路点为中心并向两边扩散。与采用并联辅路的放大器相比，单辅路的输出阻抗范围大于并联辅路的输出阻抗范围，在λ/4阻抗变换线的作用下，相位色散更为严重，这就导致以开路点为中心的辅路输出阻抗的范围更为分散，严重影响主路放大电路。本发明采用并联辅路放大器，有效缓解对主路放大器的影响，更利于扩展Doherty功率放大器的带宽。
(2)本发明能提高高/低频的效率，降低损耗。本发明的非对称Doherty功率放大器相对于采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器的辅路输出阻抗更为集中在开路点附近，有助于抵消λ/4阻抗变换线的相位色散，减小高/低频率时对主路放大器的影响，提高高/低频率时的效率。
附图说明
图1采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器的结构框图。
图2本发明采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器的结构框图。
图3本发明实施例和采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器在回退时载波放大器负载电阻和电抗随归一化频率变化的对比图。
图4本发明实施例和采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器在回退时效率随归一化频率变化的对比图。
图5本发明实施例非对称Doherty功率放大器在归一化频率时A辅路输出阻抗、B辅路输出阻抗和A/B辅路并联输出阻抗的关系图。
图6本发明实施例和采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器在归一化频率时辅路输出阻抗的对比图。
图7本发明实施例非对称Doherty功率放大器在低、中、高三个频率时增益、效率与输出功率的关系图。
图8本发明实施例非对称Doherty功率放大器在饱和、9dB回退时漏极效率随频率变化的关系图。
图中：功分器1(10)、主路相位补偿线(20)、辅路相位补偿线(30)、功分器2(40)、主路放大电路(50)、主路输入匹配网络(501)、主路功放管(502)、主路输出匹配网络(503)、A辅路放大电路(60)、A辅路输入匹配网络(601)、A辅路功放管(602)、A辅路输出匹配网络(603)、B辅路放大电路(70)、B辅路输入匹配网络(701)、B辅路功放管(702)、B辅路输出匹配网络(703)和λ/4阻抗变换线(80)。
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并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器，包括功分器1(10)、主路相位补偿线(20)、辅路相位补偿线(30)、功分器2(40)、主路放大电路(50)、A辅路放大电路(60)、B辅路放大电路(70)和λ/4阻抗变换线(80)；其特征在于，所述主路放大电路(50)由主路输入匹配网络(501)、主路功放管(502)以及主路输出匹配网络(503)串联连接组成；所述A辅助放大电路60由A辅助输入匹配网络(601)、A辅助功放管(602)以及A辅助输出匹配网络(603)串联连接组成；所述B辅路放大电路(70)由第B辅路输入匹配网络(701)、B辅路功放管(702)以及B辅路输出匹配网络(703)串联连接组成；所述B辅路放大电路(70)直接与所述A辅路放大电路(60)在X点连接，再通过λ/4阻抗变换线(80)与所述主路放大电路(50)在Y点连接。其中，λ是Doherty功率放大器工作频率对应的波长，所述λ/4阻抗变换线(80)的特性阻抗分别为Z01，Z01为特定常数。
在上述的Doherty功率放大器中，功分器1(10)将输入信号按照1：2的功率比输出给功分器1(10)主路信号和功分器1(10)辅路信号，功分器1(10)主路信号输出至主路放大电路(50)，功分器1(10)辅路信号输出至功分器2(40)。
在上述的Doherty功率放大器中，功分器2(40)将输入信号等分输出为功分器2(40)上路信号和功分器2(40)下路信号，功分器2(40)上路信号输出至A辅路放大电路(60)，功分器2(40)下路信号输出至B辅路放大电路(70)。
在上述的Doherty功率放大器中，主路功放管(502)为AB类功率放大器，A辅路功放管(602)和B辅路功放管(702)均为C类功率放大器。主路放大电路(50)与A辅路放大电路(60)、B辅路放大电路(70)组合而成的总辅路放大电路的饱和输出功率比为1：2。
在上述的Doherty功率放大器中，所述λ/4阻抗变换线(80)将A/B辅路并联输出阻抗转化为辅路输出阻抗，通过并联所述A辅路放大电路(60)和B辅路放大电路(70)，来降低A/B辅路并联输出阻抗，在λ/4阻抗变换线(80)的作用下，在更宽带宽内实现足够大的辅路输出阻抗，通过高/低频率处的辅路输出阻抗对主路放大电路(50)进行补偿，提高主路放大电路(50)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：功分器1(10)将输入按照1：2的功率比输入到主路放大电路(50)和功分器2(40)，功分器2(40)再等分地输入到A辅路放大电路(60)和B辅路放大电路(70)。在回退点之前，A辅路放大电路(60)和B辅路放大电路(70)同时关闭，A辅路和B辅路的输出阻抗开路，在A辅路和B辅路的输出匹配网络的作用下，A/B辅路并联输出阻抗变换成短路，接着在λ/4阻抗变换线(80)的作用下，辅路输出阻抗变换成中心频率为开路、高低频率为电抗的形式，产生补偿电抗以补偿高低频率时主路放大电路(50)的负载阻抗。通过并联A辅路放大电路(60)和B辅路放大电路(70)的输出信号来降低A/B辅路并联输出阻抗，从而扩展非对称Doherty功率放大器的带宽。
下面例举一个实施例。
本实施例非对称Doherty功率放大器工作频率为1.6-2.7GHz，主路功放管502、A辅路功放管602和B辅路功放管702均采用CREE的GaN HEMT功放管CGH40010F。主路功放管502偏置在AB类，A辅路功放管602和B辅路功放管702均偏置在C类。功分器1(10)输出的两路信号的功率比为1:2，功分器2(40)输出的两路信号的功率比为1:1。
图3为本发明实施例和采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器在回退时载波放大器负载电阻和电抗随归一化频率变化的对比图。其中，带有实心圆形的红色线条表示采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器中主路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主路放大器负载电阻和电抗。从图中可以看出采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器在输入信号频率偏离中心频率时，其主路放大器受辅路放大器的影响增大。这是因为对于单个辅路放大器，其在短路点附近的输出阻抗相对于并联辅路的情况更为分散，经过λ/4阻抗变换线后，在合路点的辅路输出阻抗也更为分散，影响了主路放大电路的负载阻抗。与之相反，本发明实施例由于采用了并联辅路放大器的形式，增大了合路点的辅路输出阻抗，使得负载阻抗则更接近于理想情况(3Ropt)，降低了对主路放大电路的影响。
图4本发明实施例和采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器在回退时效率随归一化频率变化的对比图。其中，带有实心三角形的红色线条表示本实施例的回退效率，带有实心圆形的蓝色线条表示采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器的回退效率。从图中可以看出，本发明实施例的回退效率相比于采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器在更宽的带宽上实现更理想的效率，本实例的回退效率基本维持在45％以上，而采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器的回退效率最低仅为35％。
图5为本发明实施例非对称Doherty功率放大器在归一化频率时A辅路输出阻抗、B辅路输出阻抗和A/B辅路并联输出阻抗的关系图。其中，带有叉形的红色线条表示本实施例的A辅路输出阻抗，带有空心圆形的蓝色线条表示本实施例的B辅路输出阻抗，带有空心正方形的绿色线条表示本实施例的A/B辅路输出阻抗。从图中可以看出A和B两辅路并联是单个辅路输出阻抗的二分之一，未经过λ/4阻抗变换线的辅路输出阻抗近似于电抗。因此，采用并联辅路可以降低辅路的输出电抗，从而实现足够小的阻抗来满足更宽带宽工作。
图6为本发明实施例和采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器在归一化频率时辅路输出阻抗的对比图。其中，带有实心圆形的红色线条表示本实例辅路输出阻抗，带有叉形的蓝色线条表示采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器辅路输出阻抗。从图2中可以看出，经过λ/4阻抗变换线之后，A/B辅路并联输出阻抗变成了辅路输出阻抗。图6表明，本实例相对于采用单辅路放大器的非对称Doherty功率放大器的辅路输出阻抗更聚集，由此说明本发明实施例能够有效地缩小宽带内辅路输出阻抗的范围。
图7为本发明实施例非对称Doherty功率放大器在低、中、高三个频率时增益、效率与输出功率的关系图。其中，带有实心三角形的蓝色线条表示本实施例在1.6GHz时的漏极效率、增益和输出功率的关系线条，带有实心方块的黑色线条表示本实施例在2.15GHz的漏极效率、增益和输出功率的关系线条，带有实心圆点的红色线条表示本实施例在2.7GHz的漏极效率、增益和输出功率的关系线条。从图中可以看出饱和功率大约46dBm，相应的漏极效率为60％。同时，可以看出本发明例具有较大的回退功率范围和Doherty型的效率曲线。
图8本发明实施例非对称Doherty功率放大器在饱和、9dB回退时漏极效率随频率变化的关系图。其中，带有实心圆形的红色线条表示9dB功率回退的漏极效率，带有实心正方形的蓝色线条表示饱和时的漏极效率。从图中可以看出，饱和时漏极效率在50％-75％之间。在1.6至2.7GHz的9dB回退功率下，漏极效率为48％-57％。在保持高效率的情况下，本发明例可以有效展宽非对称功率放大器的带宽。
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 (7)

1.一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：包括功分器1(10)、主路相位补偿线(20)、辅路相位补偿线(30)、功分器2(40)、主路放大电路(50)、A辅路放大电路(60)、B辅路放大电路(70)和λ/4阻抗变换线(80)；输入信号连接所述功分器1(10)的输入端，所述功分器1(10)的主路输出端连接所述主路放大电路(50)的输入端，功分器1(10)的辅路输出端连接所述功分器2(40)的输入端；所述功分器2(40)的上路输出端连接所述A辅路放大电路(60)，功分器2(40)的下路输出端连接所述B辅路放大电路(70)；所述主路放大电路(50)由主路输入匹配网络(501)、主路功放管(502)和主路输出匹配网络(503)串联连接组成；所述A辅路放大电路(60)由A辅路输入匹配网络(601)、A辅路功放管(602)以及A辅路输出匹配网络(603)串联连接组成；所述B辅路放大电路(70)由B辅路输入匹配网络(701)、B辅路功放管(702)以及B辅路输出匹配网络(703)串联连接组成；所述B辅路放大电路(70)与所述A辅路放大电路(60)在X点连接，再通过λ/4阻抗变换线(80)与所述主路放大电路(50)在Y点连接；其中，λ是Doherty功率放大器工作频率所对应的波长，所述λ/4阻抗变换线(80)的特性阻抗为Z01，Z01为特定常数。
2.根据权利要求1所述的一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：所述功分器1(10)将输入信号按照1：2的功率比输出给功分器1主路信号和功分器1辅路信号，功分器1主路信号经过主路相位补偿线(20)输出至主路放大电路(50)，功分器1辅路信号经过辅路相位补偿线(30)输出至功分器2(40)。
3.根据权利要求1所述的一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：所述功分器2(40)将输入信号等分输出为功分器2上路信号和功分器2下路信号，功分器2上路信号输出至A辅路放大电路(60)，功分器2下路信号输出至B辅路放大电路(70)。
4.根据权利要求1所述的一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：所述主路相位补偿线(20)、辅路相位补偿线(30)分别用于调节主路放大电路(50)、A辅路放大电路(60)和B辅路放大电路(70)的信号相位差，使两路输出信号在Y处相位相同。
5.根据权利要求1所述的一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：所述主路功放管(502)为AB类功率放大器，A辅路功放管(602)和B辅路功放管(702)均为C类功率放大器，主路放大电路(50)与A辅路放大电路(60)、B辅路放大电路(70)组合而成的总辅路放大电路的饱和输出功率比为1：2。
6.根据权利要求1所述的一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：在A辅路功放管(602)和B辅路功放管(702)导通之前，对于工作频段的中心频率，所述A辅路输出匹配网络(603)和B辅路输出匹配网络(703)分别将A辅路功放管(602)和B辅路功放管(702)的输出阻抗变换至短路点。
7.根据权利要求1所述的一种采用并联辅路放大器拓展带宽的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：通过并联所述A辅路放大电路(60)和B辅路放大电路(70)，来降低A/B辅路并联输出阻抗，在λ/4阻抗变换线(80)的作用下，在更宽带宽内实现足够大的辅路输出阻抗，通过高/低频率处的辅路输出阻抗对主路放大电路(50)进行补偿，提高主路放大电路(50)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。
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