CN111416578A - 基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器 - Google Patents

基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器，其辅功放的饱和功率是主功放的n倍，n≥1，辅功放的最佳负载阻抗是主功放的1/n；主功放输出匹配网络为第一低通型等效λ/4线，其特性阻抗为主功放最佳负载阻抗的
Figure DDA0002499379780000011
倍；辅功放输出匹配网络由第二低通型等效λ/4线和高通型等效λ/4线串联组成，其中第二低通型等效λ/4线的特性阻抗与辅功放最佳负载阻抗相等，高通型等效λ/4线的特性阻抗为辅功放最佳负载阻抗的
Figure DDA0002499379780000012
倍。本发明的低Q输出网络使Doherty功率放大器在回退区的阻抗变换比降低，因此带宽显著改善；又，饱和区的阻抗变换比与回退区相同，因此不会对整体带宽构成限制。带宽的改善同时有助于减小移动终端、基站等通信设备的尺寸和成本。

Description

基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器
技术领域
本发明属于微波功率放大器技术领域，尤其是一种基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器。
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，AB类功率放大器的平均效率远远低于其饱和效率。为了提高回退效率，目前发展出了Doherty、包络跟踪、Outphasing等多种技术，其中Doherty技术具有结构简单、性能优异的优势，应用最为广泛。
Doherty功率放大器基于负载调制原理，为了实现合理的负载调制，其输出网络引入了四分之一波长(λ/4)阻抗变换线，这意味着Doherty功率放大器存在固有的带宽限制。Massive MIMO基站、手机终端等应用场景对功率放大器模块的尺寸有严格的要求，Doherty功率放大器需要进行集成化设计。为了减小芯片尺寸，集成Doherty功率放大器中的λ/4线一般用集总参数网络等效实现，这会导致Doherty功放的带宽特性进一步恶化。图1所示是一种传统集成Doherty功放的输出网络，可参见申请号为CN201810385233.6、名称为“一种紧凑型集成多赫蒂放大器”的专利申请，其中Ropt为主功放及辅功放的最佳负载阻抗，Cout为主功放及辅功放的输出电容。输出网络中的电感和主辅功放的输出电容构成了特性阻抗为Ropt的集总参数等效λ/4线，其合路点阻抗Zdpa为Ropt/2。从图1可以看出，Doherty功放在饱和区(SAT)的阻抗变换比为1，但是在回退区(PBO)的阻抗变换比达到了4。上述为对称Doherty功放，对于非对称Doherty功放，假设辅功放和主功放的饱和功率比值为n(n＞1)，阻抗变换比更是高达(n+1)2，高阻抗变换比严重限制了整体带宽。
随着通信技术的不断发展，通信频段越来越多，单个功率放大器支持多个频段可以大大减小通信系统的尺寸和成本，因此拓展集成Doherty功率放大器的带宽有很重要的意义。
发明内容
针对传统集成Doherty功率放大器存在的带宽限制问题，本发明提出了一种基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器，有助于减小通信系统的尺寸和成本。
本发明提供的基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器，包括主功放和主功放输出匹配网络，以及辅功放和辅功放输出匹配网络，其中辅功放饱和功率是主功放的n倍，n≥1，辅功放最佳负载阻抗是主功放的1/n。所述主功放输出匹配网络为第一低通型等效λ/4线，其特性阻抗为主功放最佳负载阻抗的
Figure BDA0002499379760000021
倍；所述辅功放输出匹配网络由第二低通型等效λ/4线和高通型等效λ/4线串联组成，其中所述第二低通型等效λ/4线的特性阻抗与所述辅功放最佳负载阻抗相等，所述高通型等效λ/4线的特性阻抗为所述辅功放最佳负载阻抗的
Figure BDA0002499379760000022
倍；该Doherty功率放大器的合路点阻抗与所述主功放的最佳负载阻抗相等。
优选的，所述第一低通型等效λ/4线是T型电感网络，所述第二低通型等效λ/4线中的电感网络可以是T型电感网络或L型电感网络。
所述T型电感网络和/或所述L型电感网络中的电感可以是传输线或Bonding线。
所述高通型等效λ/4线靠近Doherty功率放大器输出端的电感和与其相邻的所述第一低通型等效λ/4线中的电容合并为第一并联电容。
所述第二低通型等效λ/4线中一电容和与其相邻的所述高通型等效λ/4线的电感合并为第二并联电容。
通常该Doherty功率放大器还包括后匹配网络，位于所述主功放输出匹配网络和所述辅功放输出匹配网络之后，其将50Ω标准负载阻抗转换为合路点阻抗，同时用于隔直。
所述Doherty功率放大器在n＝1时为对称型，在n＞1时为非对称型。
本发明的低Q输出网络使Doherty功率放大器在回退区的阻抗变换比降低，因此带宽显著改善；又，饱和区的阻抗变换比与回退区相同，因此不会对整体带宽构成限制。带宽的改善同时有助于减小移动终端、基站等通信设备的尺寸和成本。
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为现有技术中的传统集成Doherty功率放大器的输出网络；
图2为本发明基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器的输出网络示意图；
图3为基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器的输出网络的一具体实施方式电路原理图；
图4为主功放输出电感网络和辅功放输出电感网络均为T型的Doherty功率放大器结构示意图；
图5为主功放输出电感网络为T型、辅功放输出电感网络为L型的Doherty功率放大器结构示意图；
图6为传统输出网络与本实施例中低Q输出网络的带宽对比图；
图7为基于低Q网络的混合集成Doherty功率放大器设计实例图。
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。
正如背景技术中说的那样，现有的Doherty功率放大器的高阻抗变换比严重限制了整体带宽，本实施例的结构正解决了这一问题。
本实施例公开的一种基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器，如图2所示，包括主功放支路和辅功放支路，其中主功放支路包括主功放和主功放输出匹配网络，辅功放支路包括辅功放和辅功放输出匹配网络，辅功放的饱和功率是主功放的n倍，辅功放的最佳负载阻抗是主功放的1/n，n≥1。
主功放输出匹配网络为第一低通型等效λ/4线，其特性阻抗为主功放最佳负载阻抗Ropt的
Figure BDA0002499379760000031
倍；辅功放输出匹配网络由第二低通型等效λ/4线和高通型等效λ/4线串联组成，其中第二低通型等效λ/4线的特性阻抗与辅功放最佳负载阻抗相等，高通型等效λ/4线的特性阻抗为辅功放最佳负载阻抗Ropt/n的
Figure BDA0002499379760000041
倍；该Doherty功率放大器的合路点阻抗Zdpa与所述主功放最佳负载阻抗Ropt相等。
具体的，第一低通型等效λ/4线的结构如图3所示，其由主功放晶体管的寄生电容Cout、一并联电容Cm1以及它们之间的电感网络组成。
同样可看出，第二低通型等效λ/4线的结构与第一低通型等效λ/4线相同，由辅功放晶体管的寄生电容Cout、一并联电容Ca1以及它们之间的电感网络组成。高通型等效λ/4线由两个并联的电感La4、La5和它们之间串联的一电容Ca2组成。这样在回退区(PBO)，由于辅功放输出网络的相移为0，辅功放支路的输出阻抗仍然保持开路，主功放后的第一低通型等效λ/4线将Ropt变换为(n+1)Ropt，阻抗变换比为(n+1)；在饱和区，主功放后的第一低通型等效λ/4线将(n+1)Ropt变换为Ropt，辅功放输出匹配网络将(n+1)Ropt/n变换为Ropt/n，阻抗变换比均为(n+1)。
与传统输出网络相比，低Q输出网络在回退区的阻抗变换比由(n+1)2降为(n+1)，因此带宽可以显著改善，饱和区的阻抗变换比与回退区相同，不会对整体带宽构成限制。因为阻抗变换比降低后，阻抗变换的轨迹位于Smith圆图中更小的等Q圆内，因此图3所示的网络被称为低Q输出网络。
由于Cm1和La5的并联谐振频率一般低于工作频率,因此可以合并为并联电容第一并联电容Cd1，与此类似，Ca1和La4的可以合并为第二并联电容Cd2，如图4所示。
在一些具体实施方式中，基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功放如图4和图5所示。该Doherty功率放大器包括功率分配及相位补偿网络、主功放支路和辅功放支路以及后匹配网络，主功放支路包括主功放输入匹配网络、主功放晶体管和主功放输出电感网络，辅功放支路包括辅功放输入匹配网络、辅功放晶体管和辅功放输出电感网络。具体的，图4中主功放和辅功放的输出电感网络均为T型，图5中主功放输出电感网络为T型，但是辅功放输出电感网络为L型。
Vdm为主功放的漏极偏置电压源，Vda为辅功放的漏极偏置电压源。后匹配网络将50Ω标准负载阻抗转换为合路点阻抗，同时具有隔直的功能，如果合路点阻抗已经接近50Ω，后匹配网络可以是简单的隔直电容。电感Lm2、Lm4和La2、La4可以分别用于主功放和辅功放的漏极供电。
图4和图5中输出电感网络中的电感在版图中也可以用传输线或Bonding线实现。图中的主功放晶体管和辅功放晶体管均用场效应管表示，需要说明的是，实际设计中的辅功放和主功放可以采用任意类型的晶体管。
综上所述，本发明提出的基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器与传统集成Doherty功率放大器相比，输出网络的阻抗变换比大大降低，因此带宽特性显著改善，有助于减小通信系统的尺寸和成本。
为了验证本发明所提方案的带宽优势，下面给出一个设计实例。采用的工艺为WIN的0.25um GaN-HEMT工艺，主功放和辅功放的晶体管尺寸均为10X200um，即n＝1，相应的Ropt和Cout分别为50Ω和0.9pF。图6给出了图1所示传统输出网络和图3所示低Q输出网络在回退区的匹配效果对比，可以看出低Q输出网络的匹配带宽显著优于传统输出网络。
本实施例提出的基于低Q输出网络的的宽带集成Doherty功率放大器在具体实现时，可以采用全集成的方案，即所有电路都位于同一颗裸片(Die)上，也可以采用混合集成的方案，即同时采用至少两种工艺，Doherty功率放大器的电路分布在不同的Die上。图7所示是一个混合集成设计实例，主功放和辅功放的晶体管全部采用GaN工艺，Doherty功放的输入网络和输出网络采用GaAs无源器件(IPD)工艺，GaN Die和IPD Die通过Bonding线连接，Bonding线相当于串联的电感，因此输出Bonding线可以被吸收进图4中的Lm1和La1。
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 (6)

1.一种基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器，包括主功放和主功放输出匹配网络，以及辅功放和辅功放输出匹配网络，其特征在于，所述辅功放饱和功率是所述主功放饱和功率的n倍，n≥1，所述辅功放最佳负载阻抗是所述主功放最佳阻抗的1/n；所述主功放输出匹配网络为第一低通型等效λ/4线，其特性阻抗为主功放最佳负载阻抗的
Figure FDA0002499379750000011
倍；所述辅功放输出匹配网络由第二低通型等效λ/4线和高通型等效λ/4线串联组成，其中所述第二低通型等效λ/4线的特性阻抗与所述辅功放最佳负载阻抗相等，所述高通型等效λ/4线的特性阻抗为所述辅功放最佳负载阻抗的
Figure FDA0002499379750000012
倍；该Doherty功率放大器的合路点阻抗与所述主功放最佳负载阻抗相等。
2.根据权利要求1所述的基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器，其特征在于，所述第一低通型等效λ/4线中的电感网络为T型电感网络，所述第二低通型等效λ/4线中的电感网络为T型电感网络或L型电感网络。
3.根据权利要求2所述的基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器，其特征在于，所述T型电感网络和/或所述L型电感网络中的电感可以是传输线或Bonding线。
4.根据权利要求1所述的基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器，其特征在于，所述高通型等效λ/4线靠近Doherty功率放大器输出端的电感和与其相邻的所述第一低通型等效λ/4线中的电容合并为第一并联电容。
5.根据权利要求4所述的基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器，其特征在于，所述第二低通型等效λ/4线中一电容和与其相邻的所述高通型等效λ/4线的电感合并为第二并联电容。
6.根据权利要求1所述的基于低Q输出网络的宽带集成Doherty功率放大器，其特征在于，还包括后匹配网络，位于所述主功放输出匹配网络和所述辅功放输出匹配网络之后，其将50Ω标准负载阻抗转换为合路点阻抗，同时用于隔直。
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