CN111010092B - 一种新型Doherty功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型Doherty功率放大器。本发明输入信号经所述的功率分配器分成两路后，一路信号直接输入给主功率放大器支路，另外一路先经过第二相位延迟线后再输入给辅功率放大器支路。主功率放大器支路的输出信号经过第一相位延迟线后进入补偿相位及合路网络，辅功率放大器支路的输出信号直接进入补偿相位及合路网络，两路信号通过补偿相位及合路网络后输出。本发明通过补偿传统Doherty功率放大器主辅支路存在相位差，减小了高功率阶段主功放支路功率的泄露以及避免了低功率阶段主功放负载阻抗的减小，提高了Doherty功放的输出功率和效率。
Description
技术领域
本发明属于射频功率放大器技术领域，涉及一种新型Doherty功率放大器。
背景技术
随着移动通信技术的发展，特别是第五代移动通信技术的即将商用，对于射频前端电路的性能指标提出了更高的要求，如大带宽、大的功率回退效率和高的输出功率。Doherty功放由于有源负载调制的存在而具有高效率的功率回退范围，这极其适合放大具有高峰均比(PAPR)的复杂调制信号。因此，近年来各大通信运营商都采用Doherty结构作为基站功率放大器主流形式。一个典型的两路Doherty功率放大器包括主辅两个功率放大器，主辅功放输入端由功分器将信号一分为二分别输入，输出端通过一个负载调制网络将信号合路输出，根据输入信号的大小动态调制主辅功率放大器的有效负载阻抗，从而使Doherty功放在输出功率大幅度回退的情况下仍然具有很高的效率。
但传统两路Doherty功率放大器的主辅支路存在着相位差，两支路相位无法保持一致，导致了在高功率阶段主功放支路的功率泄露到辅功放支路，造成了输出功率和效率的降低。同时在低功率阶段，由于主辅功放两支路相位差的存在导致主功放负载阻抗减小，使得功率回退时的效率比理想情况下低。针对上述问题，本发明提出了一种补偿相位差的功率和效率增强型Doherty功率放大器。
发明内容
本发明的目的就是提供一种新型Doherty功率放大器。
本发明包括功率分配器、主功率放大器支路、辅功率放大器支路，第一相位延迟线和第二相位延迟线以及补偿相位及合路网络。输入信号经所述的功率分配器分成两路后，一路信号直接输入给主功率放大器支路，另外一路先经过第二相位延迟线后再输入给辅功率放大器支路。主功率放大器支路的输出信号经过第一相位延迟线后进入补偿相位及合路网络，辅功率放大器支路的输出信号直接进入补偿相位及合路网络，两路信号通过补偿相位及合路网络后输出。
所述的功率分配器为等分威尔金森功分器，包括微带线TCL1、微带线TCL2和隔离电阻R1，用于将输入信号进行等功率分配后分别输出给主功率放大器支路和辅功率放大器支路。微带线TCL1的一端和微带线TCL2的一端同时接输入信号，微带线TCL1的另一端、微带线TCL2的另一端分别接隔离电阻R1的两端后，作为功率分配器C1的两个输出端；
所述的主功率放大器支路包括第一输入匹配电路、第一栅极偏置电路、晶体管G1、第一漏极偏置电路和第一输出匹配电路；
第一输入匹配电路包括微带线TIL1、微带线TIL2、微带线TIL3和电容Cr1，功率分配器C1的一个输出端接电容Cr1后依次串接微带线TIL1、微带线TIL2，微带线TIL2的空置端接微带线TIL3的一端；微带线TIL3的另一端作为输入匹配电路输出端接晶体管G1的栅极；
第一栅极偏置电路包括微带线TPL1和并联的旁路电容Cp1，微带线TIL3的一端与微带线TIL2的一端连接后接微带线TPL1的一端；微带线TPL1的另一端接电容Cp1的一端后作为第一栅极直流偏置电源输入端；
第一输出匹配电路包括微带线TOL1、微带线TOL2、微带线TOL3和电容Cr2，晶体管G1的漏极接微带线TOL1后依次串接微带线TOL2、微带线TOL3、电容Cr2，电容Cr2的空置端作为第一输出匹配电路的输出端；
第一漏极偏置电路包括微带线TPL2和并联的旁路电容Cp2，微带线TOL1的一端与微带线TOL2的一端连接后接微带线TPL2的一端；微带线TPL2的另一端接电容Cp2的一端后作为第一漏极直流偏置电源输入端；
电容Cp1的另一端、电容Cp2的另一端、晶体管G1的源极接地；
辅功率放大器支路包括第二输入匹配电路、第二栅极偏置电路、晶体管G2、第二漏极偏置电路和第二输出匹配电路；
第二输入匹配电路包括微带线TIL4、微带线TIL5、微带线TIL6和电容Cr3，功率分配器C1的另一个输出端通过第二相位延迟φ2接电容Cr3后依次串接微带线TIL4、微带线TIL5，微带线TIL5的空置端接微带线TIL6的一端；微带线TIL6的另一端作为输入匹配电路输出端接晶体管G2的栅极；
第二栅极偏置电路包括微带线TPL3和并联的旁路电容Cp3，微带线TIL6的一端与微带线TIL5的一端连接后接微带线TPL3的一端；微带线TPL3的另一端接电容Cp3的一端后作为第二栅极直流偏置电源输入端；
第二输出匹配电路包括微带线TOL4、微带线TOL5、微带线TOL6和电容Cr4，晶体管G2的漏极接微带线TOL4后依次串接微带线TOL5、微带线TOL、6电容Cr4，电容Cr4的空置端作为第二输出匹配电路的输出端；
第二漏极偏置电路包括微带线TPL4和并联的旁路电容Cp4，微带线TOL4的一端与微带线TOL5的一端连接后接微带线TPL2的一端；微带线TPL2的另一端接电容Cp2的一端后作为第二漏极直流偏置电源输入端；
电容Cp3的另一端、电容Cp4的另一端、晶体管G2的源极接地；
所述的补偿相位及合路网络包括微带线TCL3、微带线TCL4、微带线TCL5、微带线TCL6和微带线TCL7，微带线TCL3作为补偿电抗，微带线TCL4补偿容抗，微带线TCL5、微带线TCL6作为相位补偿线，微带线TCL7作为合路端阻抗变换线，将阻抗变换为50Ω标准的负载阻抗。
微带线TCL3的一端、微带线TCL5的一端连接后通过第一相位延迟φ1接第一输出匹配电路的输出端；微带线TCL3的另一端接微带线TCL4的一端。微带线TCL4的一端、微带线TCL6的一端连接后接第二输出匹配电路的输出端；
微带线TCL5的另一端、微带线TCL6的另一端连接后接微带线TCL7，微带线TCL7的空置端作为整个功放的信号输出端，；
所述主功率放大器为AB类功率放大器，所述辅功率放大器为C类功率放大器；
所述相位补偿电路由两段相位偏移微带线、补偿容抗和感抗组成；
所述微带线TCL7由一段35欧姆四分之一波长阻抗变换线构成。
优选地，所述的补偿容抗和感抗的取值与两路相位差相关,新型补偿相位及网络的微带线TCL3补偿容抗为
微带线TCL4补偿感抗为/>
其中，β＝V2/V1，δ为两路相位之差。
优选地，所述主功率放大器和所述辅功率放大器均采用晶体管实现。
本发明通过补偿传统Doherty功率放大器主辅支路存在相位差，减小了高功率阶段主功放支路功率的泄露以及避免了低功率阶段主功放负载阻抗的减小，提高了Doherty功放的输出功率和效率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的具体的电路图；
图3为本发明的功率功率放大器的工作原理图
图4为本发明的补偿相位电路的原理图；
图5为利用ADS软件模拟本发明的仿真数据图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的作进一步的描述。
如图1所示，一种新型Doherty功率放大器，包括功率分配器C1、主功率放大器支路M1、辅功率放大器支路M2，第一相位延迟线φ1、第二相位延迟线φ2以及新型补偿相位及合路网络C2。输入信号经功分器分成两路后，一路信号直接输入给主功率放大器支路M1，另外一路先经过相位延迟线φ2后再输入给辅功率放大器支路M2。主功率放大器支路M1的输出信号经过相位延迟线φ1后进入补偿相位及合路网络C2，辅功率放大器支路M2的输出信号直接进入补偿相位及合路网络C2，两路信号通过补偿相位及合路网络C2后输出。
如图2所示，所述功率分配器C1为等分威尔金森功分器，包括微带线TCL1和TCL2以及隔离电阻R1构成，用于将输入信号进行等功率分配后分别输出给主功率放大器支路M1和辅功率放大器支路M2。其中TCL1和TCL2分别是特征阻抗50Ω，电长度λ/4的微带线。隔离电阻的阻值为100Ω。
主功率放大器支路M1包括第一输入匹配电路IMN1、第一栅极偏置电路P1、晶体管G1、第一漏极偏置电路P2和第一输出匹配电路OMN1；第一输入匹配电路IMN1包括微带线TIL1、TIL2、TIL3和电容Cr1，微带线TIL1、微带线TIL2和微带线TIL3的特征阻抗分别为25Ω、35Ω和15Ω，电长度分别为λ/12、λ/8和λ/15；电容Cr1的容值为8.5pF。第一输入匹配电路IMN1接功率分配器C1的一个信号输出端。
第一输出匹配电路OMN1由微带线TOL1、TOL2、TOL3和电容Cr2构成。微带线TOL1、TOL2和TOL3的特征阻抗分别为30Ω、35Ω和25Ω，电长度分别为λ/10、λ/15和λ/12。电容Cr2的容值为8.5pF。
第一栅极偏置电路P1由微带线TPL1和并联的旁路电容Cp1构成，微带线TPL1的特征阻抗为100Ω，电长度为λ/4。旁路电容Cp1为8.5pF。
第一漏极偏置电路P2由微带线TPL2和并联的旁路电容Cp2构成，微带线TPL2的特征阻抗为100Ω，电长度为λ/4。旁路电容Cp2为8.5pF。
辅功率放大器支路M2包括第二输入匹配电路IMN2、第二栅极偏置电路P3、晶体管G2、第二漏极偏置电路P4和第二输出匹配电路OMN2；第二输入匹配电路IMN2由微带线TIL4、TIL5、TIL6和电容Cr3构成。微带线TIL4、TIL5和TIL6的特征阻抗分别为25Ω、35Ω和15Ω，电长度分别为λ/12、λ/8和λ/15。电容Cr3的容值为8.5pF。第二输入匹配电路IMN2通过第二相位延迟线φ2接功率分配器C1的另一个信号输出端。
第二输出匹配电路OMN3由微带线TOL4、TOL5、TOL6和电容Cr4构成。微带线TOL4、TOL5和TOL6的特征阻抗分别为30Ω、35Ω和25Ω，电长度分别为λ/10、λ/15和λ/12。电容Cr4的容值为8.5pF。
第二栅极偏置电路P3由微带线TPL3和并联的旁路电容Cp3构成，微带线TPL3的特征阻抗为100Ω，电长度为λ/4。旁路电容Cp3为8.5pF。第二漏极偏置电路P4由微带线TPL4和并联的旁路电容Cp4构成，微带线TPL4的特征阻抗为100Ω，电长度为λ/4。旁路电容Cp4为8.5pF。
主功率放大器支路M1为AB类功率放大器，辅功率放大器支路M2为C类功率放大器；
相位补偿电路及合成电路C2由微带线TCL3、TCL4、TCL5、TCL6和TCL7构成。其中TCL3和TCL4作为补偿电抗和补偿容抗，TCL5和TCL6作为相位补偿线，TCL7作为合路端阻抗变换线，将特定的阻抗变换到50Ω标准的负载阻抗。微带线TCL3一端与第一相位延迟φ1相连，另一端与TCL4的一端相连。TCL4的另一端与辅功率放大器支路M2输出端相连。微带线TCL5一端与第一相位延迟φ1相连，另一端与TCL6的一端相连。TCL6的另一端与辅功率放大器支路M2输出端相连。微带线TCL7一端与TCL5、TCL6连接处相连，另一端输出与负载，微带线的TCL7的特征阻抗为35Ω，电长度为λ/4。微带线TCL3、TCL4的特征阻抗取值均为50Ω。微带线TCL3、TCL4、TCL5和TCL6的取值与两路相位差相关。TCL3和TCL4的电长度于两路相位差之间关系：4倍的TCL3的电长度与3倍的TCL4的电长度之差等于两路的相位差。TCL5和TCL6的值可以根据实际调试情况选择。
第一相位延迟线φ1和第二相位延迟线φ2均由特征阻抗50Ω，电长度λ/4的微带线构成。
本发明通过如下步骤实现：
选取晶体管合适的直流偏置点，使得晶体管处于线性放大区(如CGH4001F晶体管，取漏极和栅极电压分别为28V、-2.7V)导通角介于180度到360度之间，再将晶体管的输入输出阻抗通过输入输出匹配网络匹配到负载和源阻抗。由此调试完成一个标准的AB类功率放大器，作为主功率放大器；
选取晶体管合适的直流偏置点，使得晶体管处于截止区(如CGH4001F晶体管，取漏极和栅极电压分别为28V、-5.5V)导通角小于180度，再将晶体管的输入输出阻抗通过输入输出匹配网络匹配到负载和源阻抗。由此调试完成一个标准的C类功率放大器，作为辅功率放大器；
构建新型补偿相位和合路网络，参见图3，所示为本发明一种补偿相位差的功率和效率增强的Doherty功率放大器工作原理图。首先，假设两个电压源分别是U1＝V1ejΦ1和U2＝V2ejΦ2负载R上的电流表示为式⑴：
则由电压源1端所示的阻抗为式(2)：
其中，β＝V2/V1。
电压源2端所示的阻抗为式(3)：
对应的导纳为式⑷、⑸：
其中，δ＝Φ2-Φ1为两路相位之差，0≤δ≤1/2π。
参见图4是本发明的补偿相位电路的原理图，采用并联补偿容抗和感抗的方法来使抵消图3中所牵引出来的阻抗虚部。根据以上的计算出的两路牵引出的导纳Y1和Y2表达式，得出其中容抗的取值为
感抗的取值为/>
新型补偿相位及网络的补偿容抗TCL3为/>
补偿感抗TCL4为/>
此外，该结构的相位补偿线的参数由以下确定。
调节新型补偿相位及合路网络中的相位补偿线TCL5，TCL5的特征阻抗和电长度的选取首先和TCL3一致，然后观察功放低功率输入时辅功放是否有电流流出，若没有则表示符合要求。若有电流流出，则表示此时辅功放的输出阻抗不为无穷大，只调节TCL5的电长度使得辅放大器在低功率输入时的输出阻抗为无穷大，调节相位补偿线TCL6，TCL6的特征阻抗和电长度的选取首先和TCL4一致，然后观察功放高功率输入时辅功放是否为50欧姆，若不是，则只调节TCL5的电长度使得辅放大器在高输入功率时输出阻抗为50欧姆；新型补偿相位及合路网络中的合成电路的微带线为特征阻抗35欧姆的四分之一波长的微带线；
将调试好的主功放、辅功放及新型补偿相位及合路网络组合起来构成一种补偿相位差的功率和效率增强型Doherty功率放大器。
相对现有技术，本发明通过采用一种相位补偿和合路网络，通过补偿传统Doherty功率放大器主辅支路存在的相位差，避免了高功率阶段主功放支路功率的泄露和低功率阶段主功放负载阻抗的减小，提高了Doherty功放的输出功率和效率。图5为利用ADS软件在3.0GHz基于本发明的方法模拟的仿真数据图，由模拟结果可知，在连续波作为输入信号的情况下，该Doherty功放饱和输出功率可以达到44dBm，漏极效率达到70％。在功率回退7.5dB时，其漏极效率依然可以保持与饱和输出功率状态下几乎一致的高效率，与传统的Doherty功放相比，本发明的饱和输出功率和效率都有明显提升。此外，传统等分结构的Doherty功放往往只能实现6dB功率回退范围，而本发明在7.5dB功率回退范围内依然具有高效率。
Claims (5)
1.一种新型Doherty功率放大器，包括功率分配器、主功率放大器支路、辅功率放大器支路，第一相位延迟线和第二相位延迟线以及补偿相位及合路网络；其特征在于：输入信号经所述的功率分配器分成两路后，一路信号直接输入给主功率放大器支路，另外一路先经过第二相位延迟线后再输入给辅功率放大器支路；主功率放大器支路的输出信号经过第一相位延迟线后进入补偿相位及合路网络，辅功率放大器支路的输出信号直接进入补偿相位及合路网络，两路信号通过补偿相位及合路网络后输出；
所述的功率分配器为等分威尔金森功分器，包括微带线TCL1、微带线TCL2和隔离电阻R1，用于将输入信号进行等功率分配后分别输出给主功率放大器支路和辅功率放大器支路；微带线TCL1的一端和微带线TCL2的一端同时接输入信号，微带线TCL1的另一端、微带线TCL2的另一端分别接隔离电阻R1的两端后，作为功率分配器C1的两个输出端；
所述的主功率放大器支路包括第一输入匹配电路、第一栅极偏置电路、晶体管G1、第一漏极偏置电路和第一输出匹配电路；
第一输入匹配电路包括微带线TIL1、微带线TIL2、微带线TIL3和电容Cr1，功率分配器C1的一个输出端接电容Cr1后依次串接微带线TIL1、微带线TIL2，微带线TIL2的空置端接微带线TIL3的一端；微带线TIL3的另一端作为输入匹配电路输出端接晶体管G1的栅极；
第一栅极偏置电路包括微带线TPL1和并联的旁路电容Cp1，微带线TIL3的一端与微带线TIL2的一端连接后接微带线TPL1的一端；微带线TPL1的另一端接电容Cp1的一端后作为第一栅极直流偏置电源输入端；
第一输出匹配电路包括微带线TOL1、微带线TOL2、微带线TOL3和电容Cr2，晶体管G1的漏极接微带线TOL1后依次串接微带线TOL2、微带线TOL3、电容Cr2，电容Cr2的空置端作为第一输出匹配电路的输出端；
第一漏极偏置电路包括微带线TPL2和并联的旁路电容Cp2，微带线TOL1的一端与微带线TOL2的一端连接后接微带线TPL2的一端；微带线TPL2的另一端接电容Cp2的一端后作为第一漏极直流偏置电源输入端；
电容Cp1的另一端、电容Cp2的另一端、晶体管G1的源极接地；
辅功率放大器支路包括第二输入匹配电路、第二栅极偏置电路、晶体管G2、第二漏极偏置电路和第二输出匹配电路；
第二输入匹配电路包括微带线TIL4、微带线TIL5、微带线TIL6和电容Cr3，功率分配器C1的另一个输出端通过第二相位延迟φ2接电容Cr3后依次串接微带线TIL4、微带线TIL5，微带线TIL5的空置端接微带线TIL6的一端；微带线TIL6的另一端作为输入匹配电路输出端接晶体管G2的栅极；
第二栅极偏置电路包括微带线TPL3和并联的旁路电容Cp3，微带线TIL6的一端与微带线TIL5的一端连接后接微带线TPL3的一端；微带线TPL3的另一端接电容Cp3的一端后作为第二栅极直流偏置电源输入端；
第二输出匹配电路包括微带线TOL4、微带线TOL5、微带线TOL6和电容Cr4，晶体管G2的漏极接微带线TOL4后依次串接微带线TOL5、微带线TOL、6电容Cr4，电容Cr4的空置端作为第二输出匹配电路的输出端；
第二漏极偏置电路包括微带线TPL4和并联的旁路电容Cp4，微带线TOL4的一端与微带线TOL5的一端连接后接微带线TPL2的一端；微带线TPL2的另一端接电容Cp2的一端后作为第二漏极直流偏置电源输入端；
电容Cp3的另一端、电容Cp4的另一端、晶体管G2的源极接地；
所述的补偿相位及合路网络包括微带线TCL3、微带线TCL4、微带线TCL5、微带线TCL6和微带线TCL7，微带线TCL3作为补偿电抗，微带线TCL4补偿容抗，微带线TCL5、微带线TCL6作为相位补偿线，微带线TCL7作为合路端阻抗变换线，将阻抗变换为50Ω标准的负载阻抗；
微带线TCL3的一端、微带线TCL5的一端连接后通过第一相位延迟φ1接第一输出匹配电路的输出端；微带线TCL3的另一端接微带线TCL4的一端；微带线TCL4的一端、微带线TCL6的一端连接后接第二输出匹配电路的输出端；
微带线TCL5的另一端、微带线TCL6的另一端连接后接微带线TCL7，微带线TCL7的空置端作为整个功放的信号输出端。
2.如权利要求1所述的一种新型Doherty功率放大器，其特征在于：所述的主功率放大器为AB类功率放大器，辅功率放大器为C类功率放大器。
3.如权利要求1所述的一种新型Doherty功率放大器，其特征在于：所述的所述相位补偿电路由两段相位偏移微带线、补偿容抗和感抗组成。
4.如权利要求1所述的一种新型Doherty功率放大器，其特征在于：所述的补偿容抗和感抗的取值与两路相位差相关,新型补偿相位及网络的微带线TCL3的补偿容抗为
微带线TCL4的补偿感抗为/>
其中，β＝V2/V1，δ为两路相位之差。
5.如权利要求1所述的一种新型Doherty功率放大器，其特征在于：所述的主功率放大器和辅功率放大器均采用晶体管实现。
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