CN111342787A - 一种负载调制差分功率放大器、基站和移动终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种负载调制差分功率放大器、基站和移动终端，其中负载调制差分功率放大器包括主功放支路和辅功放支路，主功放支路包括一主功放单元，辅功放支路包括一差分功率放大器，主功放支路的输出端与辅功放支路的一个输出端子连接，辅功放支路的另一个输出端子连接一后匹配网络。本发明将负载调制技术应用于差分功率放大器，既保留了差分功率放大器的宽带优势，又可实现类似于Doherty功放的高回退效率，在通信系统中有巨大的应用前景。

Description

一种负载调制差分功率放大器、基站和移动终端

技术领域

本发明属于无线通信技术的微波功率放大器技术领域，特别涉及一种负载调制差分功率放大器、基站和移动终端。

背景技术

为了提高频谱效率，现代通信信号往往使用OFDM等复杂的调制方式，这带来了高峰均比(PAPR)的问题。高PAPR给射频功率放大器(以下简称功放)的设计带来了困难，尤其是对功放的效率指标带来了不利的影响。传统的AB类线性功放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下功放大部分时间工作在回退功率区，AB类功放的平均效率远远低于其饱和效率。为了增强调制信号激励下的平均效率，目前的通信基站普遍采用Doherty技术提高功放的回退效率。

图1为Doherty功放的结构，其包含两路功放，即主功放和辅功放，其中主功放偏置为AB类，辅功放则偏置为C类，主功放输出功率为P，辅功放输出功率是主功放的α倍(α≥1)。图1中的R₀是主功放的最佳负载阻抗，则辅功放的最佳负载为R₀/α。后匹配网络将50Ω负载阻抗变换为R₀/(α+1)。TL1是特性阻抗为R₀的四分之一波长线。Doherty功放的工作原理可以分为低功率区和高功率区进行分析，两个区域以C类偏置的辅功放开启为界。在低功率区，辅功放处于截止状态，其输出阻抗呈现开路，此时图1可以等效为图2，TL1将R₀/(α+1)变换为(α+1)R₀，即此时Z₁＝(α+1)R₀，则主功放首次达到饱和时的输出功率为P/(α+1)。在高功率区，随着辅功放的开启，由于辅功放输出信号对主功放输出信号的牵引作用，Z₁和Z₂逐渐发生变化，这就是所谓的有源负载牵引作用。在饱和点，这种牵引作用的效果达到最大，此时Z₁＝R₀，Z₂＝R₀/α，Doherty的输出功率达到最大值(1+α)P。因此，Doherty能够实现的功率回退为20lg(1+α)(单位：dB)。

Doherty功放结构简单，效率性能优异，但是四分之一波长线的使用导致其存在固有的带宽限制。从以上的原理分析可以看出，在低功率区，TL1的阻抗变换比高达(α+1)²，因此Doherty功放只能在较窄的带宽内保持高效率。此外，后匹配网络也会限制带宽，当输出功率很高或者工作电压很低时，R₀会很小，这意味着后匹配网络的阻抗变换比也会很高。

随着通信技术的快速发展，通信频段的数量不断增加，为了使通信系统能够支持更多的频段，功放的带宽要求也相应的越来越高。然而，即使采用各种带宽拓展技术，Doherty功放的带宽仍然普遍低于50％，难以满足越来越高的带宽需求，需要探索新型的高效率技术。

发明内容

针对Doherty功率放大器存在的带宽限制问题，本发明提出了一种负载调制差分功率放大器、基站和移动终端，可以实现宽带高回退效率的性能，有助于减小通信系统的尺寸和成本。

本发明第一方面，提供一种负载调制差分功率放大器，包括主功放支路和辅功放支路，所述主功放支路包括一主功放单元，所述辅功放支路包括一差分功率放大器，所述主功放支路的输出端与所述辅功放支路的一个输出端子连接，所述辅功放支路的另一个输出端子连接一后匹配网络。

所述主功放单元为AB类功率放大器。所述辅功放支路的差分功率放大器为C类差分功率放大器。

所述C类差分功率放大器包括一输入变压器、两个相同的辅功放单元和一个输出变压器，其中两个辅功放单元的输入端分别连接在所述输入变压器次级线圈的两端，两个辅功放单元的输出端分别连接在所述输出变压器初级线圈的两端；所述输出变压器次级线圈的两端分别与所述主功放支路的输出端和所述后匹配网络连接。

所述主功放单元和所述辅功放单元均包括一晶体管，所述晶体管的漏极和源极之间接一寄生电容。

所述输出变压器的初级线圈和次级线圈的匝数比为2:α，其中α为所述辅功放单元的饱和输出功率与所述主功放单元饱和输出功率的比例，α≥1。

所述后匹配网络后连接50Ω负载阻抗。

所述后匹配网络将50Ω负载阻抗变换为(α+1)R₀，其中R₀为所述主功放支路的最佳负载阻抗。

本发明第二方面，提供一种基站，包括上述任一技术方案所述的负载调制差分功率放大器。

本发明第二方面，提供一种移动终端，包括上述任一技术方案所述的负载调制差分功率放大器。

本发明将负载调制技术应用于差分功率放大器，既保留了差分功率放大器的宽带优势，又可实现类似于Doherty功放的高回退效率，在通信系统中有巨大的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中Doherty功率放大器结构图；

图2为图1的Doherty功率放大器在低功率区的等效电路图；

图3为本发明实施例负载调制差分功率放大器的结构图；

图4为现有技术中差分功率放大器结构图；

图5为图3实施例的负载调制差分功率放大器在低功率区的等效电路图；

图6为图3实施例的负载调制差分功率放大器在高功率区的等效电路图；

图7为图3实施例的一种实际应用原理图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实施例提供一种负载调制差分功率放大器，如图3所示，其由差分功率放大器改进而来，包括主功放支路和辅功放支路。主功放支路包括一主功放单元，辅功放支路包括一差分功率放大器，主功放支路的输出端与辅功放支路的一个输出端子连接，辅功放支路的另一个输出端子连接一后匹配网络。在本实施例中，主功放单元为AB类功率放大器，辅功放支路的差分功率放大器为C类差分功率放大器。

差分功率放大器带宽很宽，但是回退效率低，本实施例在图4所示的传统差分功率放大器结构中额外引入了一条功放支路即主功放支路，利用有源负载调制效应提升回退效率。

本实施例中作为辅功放支路的C类差分功率放大器如图3所示，包括一输入变压器、两个相同的辅功放单元和一个输出变压器，其中两个辅功放单元的输入端分别连接在输入变压器次级线圈的两端，两个辅功放单元的输出端分别连接在输出变压器初级线圈的两端；输出变压器次级线圈的两端分别与主功放支路的输出端和后匹配网络连接。。

与Doherty功放类似，负载调制差分功放中的主功放偏置在AB类，输出功率为P，辅功放偏置在C类，输出功率为主功放的α倍(α≥1)。R₀为主功放支路的最佳负载阻抗，由于辅功放支路中每个功放单元的功率为αP/2，因此辅功放支路的最佳差分负载阻抗为4R₀/α。图3中的Z₂为辅功放支路的差分负载阻抗，T1为辅功放支路的输出变压器，其初级线圈和次级线圈的匝数比为2:α,T2为辅功放支路的输入变压器，本实施例不对其匝数比做出限制，后匹配网络将50Ω负载阻抗变换为(α+1)R₀。

定义主功放支路的饱和输出电流和饱和输出电压分别为I_sat和V_sat，则有I_sat＝V_sat/R₀。在低功率区，辅功放支路不工作，其输出阻抗呈现开路，因此图3可以简化为图5。此时，Z₁＝(α+1)R₀，则主功放支路首次达到饱和时的输出功率为P/(α+1)，输出电流为I_sat/(α+1)。在高功率区，辅功放支路开启，图3可以等效为图6，其中I_m和I_a分别为主功放支路和辅功放支路的输出电流，V_a为T1的初级线圈电压，V_t为T1的次级线圈电压，V_L为负载调制差分功放的整体输出电压。在图6中，辅功放支路用差分电流源表示，主功放支路在负载调制过程中一直保持饱和状态，输出电压不变，因此用电压源表示。随着辅功放支路输出功率的增加，V_t不断增加，由于V_L＝V_t+V_sat，主功放支路输出电流I_m也会增加，因此Z₁会相应的下降。当辅功放支路达到饱和时，V_a＝2V_sat，则V_t＝αV_a/2＝αV_sat，V_L＝V_t+V_sat＝(α+1)V_sat，因此I_m＝V_L/((α+1)R₀)＝I_sat，Z₁＝V_sat/I_m＝R₀，Z₂＝(2/α)2V_t/I_m＝4R₀/α，此时负载调制差分功放的输出功率达到最大值(1+α)P。因此，负载调制差分功放实现的功率回退为20lg(1+α)(单位：dB)，与图1所示的Doherty功放相同。

从上面的原理分析过程可以看出，负载调制差分功放的带宽仅仅由变压器和后匹配网络决定。变压器是宽带器件，不会限制整体带宽，而后匹配网络的阻抗变换比仅为Doherty功放的1/(α+1)²，匹配带宽大大拓展。因此，本实施例提出的负载调制差分功放的带宽远远优于Doherty功放，能够实现宽带高回退效率的性能，在通信系统中有巨大的应用前景。将本发明提出的负载调制差分功放应用于在基站及移动终端中，有助于减小基站及移动终端中通信模块的尺寸和成本。

根据以上负载调制差分功放的工作原理，图7给出了负载调制差分功放的一种实际应用原理图，信号输入端连接一功率分配与相位补偿网络，后分为主功放支路和辅功放支路。主功放支路包括主功放输入匹配网络和主功放单元，辅功放支路包括两个辅功放输入匹配网络和两个辅功放单元，辅功放输入匹配网络位于输入变压器的次级线圈和辅功放单元的输入端之间。

主功放单元和辅功放单元均包括一晶体管，其中C_outM和C_outA分别表示主功放晶体管和辅功放晶体管的输出寄生电容，V_dm和V_da分别表示主功放和辅功放的漏极偏置电压源。电感L_m用于中和C_outM，同时用于主功放的漏极供电，电容C_m用于中和辅功放支路输出变压器次级线圈的自感，同时用于隔直。电感L_a用于中和C_outA，同时用于辅功放的漏极供电，电容C_a用于中和辅功放支路输出变压器初级线圈的自感。图7中的主功放晶体管和辅功放晶体管采用了场效应晶体管(FET)，并且是单级电路，需要说明的是，实际应用中的主功放和辅功放可以采用任意类型的晶体管，而且可以是两级或多级电路。电路实现可以基于任意类型的工艺，比如GaAs工艺、GaN工艺、CMOS工艺、SiGe工艺等，可以采用全集成的方案，即所有电路位于同一颗裸片(Die)上，也可以采用混合集成的方案，即同时使用多种工艺，电路位于不同的Die上。本实施例还提供一种基站，包括上述任一技术方案所述的负载调制差分功率放大器；提供一种移动终端，包括上述任一技术方案所述的负载调制差分功率放大器。

本说明书中的实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种负载调制差分功率放大器，其特征在于，包括主功放支路和辅功放支路，所述主功放支路包括一主功放单元，所述辅功放支路包括一差分功率放大器，所述主功放支路的输出端与所述辅功放支路的一个输出端子连接，所述辅功放支路的另一个输出端子连接一后匹配网络。

2.根据权利要求1所述的负载调制差分功率放大器，其特征在于，所述主功放单元为AB类功率放大器。

3.权利要求1所述的负载调制差分功率放大器，其特征在于，所述辅功放支路的差分功率放大器为C类差分功率放大器。

4.根据权利要求3所述的负载调制差分功率放大器，其特征在于，所述C类差分功率放大器包括一输入变压器、两个相同的辅功放单元和一个输出变压器，其中两个辅功放单元的输入端分别连接在所述输入变压器次级线圈的两端，两个辅功放单元的输出端分别连接在所述输出变压器初级线圈的两端；所述输出变压器次级线圈的两端分别与所述主功放支路的输出端和所述后匹配网络连接。

5.根据权利要求4所述的负载调制差分功率放大器，其特征在于，所述主功放单元和所述辅功放单元均包括一晶体管，所述晶体管的漏极和源极之间接一寄生电容。

6.根据权利要求4所述的负载调制差分功率放大器，其特征在于，所述输出变压器的初级线圈和次级线圈的匝数比为2:α，其中α为所述辅功放单元的饱和输出功率与所述主功放单元饱和输出功率的比例，α≥1。

7.根据权利要求4所述的负载调制差分功率放大器，其特征在于，所述后匹配网络后连接50Ω负载阻抗。

8.根据权利要求7所述的负载调制差分功率放大器，其特征在于，所述后匹配网络将50Ω负载阻抗变换为(α+1)R₀，其中R₀为所述主功放支路的最佳负载阻抗。

9.一种基站，其特征在于，包括权利要求1～8任一项所述的负载调制差分功率放大器。

10.一种移动终端，其特征在于，包括权利要求1～8任一项所述的负载调制差分功率放大器。

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