CN112134534B - 基于双补偿电抗及可调漏极电压技术的模式可切换Doherty功率放大器 - Google Patents

基于双补偿电抗及可调漏极电压技术的模式可切换Doherty功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双补偿电抗及可调漏极电压技术的模式可切换Doherty功率放大器，包括双补偿电抗网络及可调漏极供电网络。双补偿电抗网络由三段具有特定特征阻抗且电长度为四分之一波长的阻抗变换器构成。可调漏极电压技术通过可调漏极供电网络实现。本发明相对于传统的双模Doherty功率放大器可有效拓宽放大器的工作带宽，进一步提升放大器在双频模式下的饱和功率及效率。并且，相对于传统的宽带数字Doherty功率放大器结构，本发明结构简单，可靠性高，加工方便，可以应用到5G移动通信系统中。

Description

基于双补偿电抗及可调漏极电压技术的模式可切换Doherty 功率放大器
技术领域
本发明涉及微波有源器件领域，特别是涉及一种基于双补偿电抗及可调漏极电压技术的模式可切换Doherty功率放大器。
背景技术
随着现代无线通信技术的高速发展，调制信号的峰均比越来越高，Doherty功率放大器能够有效提升回退工作时的效率因而引起了广泛的关注和研究。同时，更高的数据传输速率对于宽带高效Doherty功率放大器的设计提出了更高的要求。设计宽带Doherty功率放大器是提升传输速率的一种常用手段。宽带Doherty功率放大器通常使用诸如低阶输出匹配网络、后匹配网络、集成电抗补偿等技术实现。设计共发双频甚至多频Doherty功率放大器是提升传输速率的另一种常用手段。采用具有最小相移的T型或者π型双频或多频阻抗逆变网络，可以设计共发双频或多频Doherty功率放大器。然而，频谱资源日渐稀缺，以上两种手段依旧难以满足下一代移动通信技术(5G)对高速传输速率的需求，以及第六代移动通信技术(6G)对频谱感知的需求。
宽带-双频双模工作Doherty功率放大器技术是近两年来出现的一种新型的Doherty功率放大器。传统的Doherty功率放大器只能工作在宽带模式或者双频、多频模式中的一种模式，而采用宽带-双频双模工作Doherty功率放大器架构可以在不改变放大器物理拓扑的情况下实现宽带-双频双模工作。
目前引起广泛关注的5G移动通信技术，对功率放大器的传输速率以及功率效率提出了更高的要求。因此，高效率宽带-双频双模Doherty功率放大器成为了重要的研究热点。然而，宽带-双频双模Doherty功率放大器的工作带宽有待进一步拓宽。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种带宽展宽的基于双补偿电抗及可调漏极电压技术的模式可切换Doherty功率放大器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：一种基于双补偿电抗及可调漏极电压技术的模式可切换Doherty功率放大器，包括输入匹配网络(1)，双电抗补偿网络(4)，端接负载(6)，所述的Doherty功率放大器输入匹配网络(1)由威尔金森功分器(11)，相位补偿网络(12)以及两个相同的输入匹配网络组成；
所述威尔金森功分器(11)两端分别连接相位补偿网络(12)和第一输入匹配网络，所述相位补偿网络(12)与第二输入匹配网络连接，第二输入匹配网络一端与第一场效应管栅极连接，第一场效应管的源级接地，其漏级与第一四分之一波长微带线(41)串联，并且第一四分之一波长微带线(41)另一端通过端接负载(6)接地；
所述第一输入匹配网络一端与第二场效应管栅极连接，第二场效应管的源级接地，其漏级与第二四分之一波长微带线(42)连接、第三四分之一波长微带线(43)串联，第三四分之一波长微带线(42)另一端通过端接负载(6)接地；
第一场效应管在AB类工作状态时的栅极电压为栅极关闭电压VGS1，在C类工作状态时的栅极电压为栅极开启电压VGS2，第二场效应管在AB类工作状态时栅极电压为栅极开启电压VGS1，在C类工作状态时的栅极为栅极关闭电压VGS2，并且，第一场效应管和第二场效应管在AB类工作状态时的漏级电压为漏级关闭电压VDS1，第一场效应管和第二场效应管在呈现出1.4倍最优负载阻抗时的漏极电压为漏级开启电压VDS2；
当第一场效应管和第二场效应管的栅极和漏级均连接开启电压时，放大器处于双频工作模式；当第一场效应管和第二场效应管的栅极和漏级连接关闭电压时，放大器处于宽带工作模式。
当控制开关处于关断状态，第一场效应管的栅极连接VGS1，第二场效应管的栅极连接VGS2，两个场效应管的漏极均连接VDS1时，放大器处于宽带工作模式。当控制开关处于闭合状态时，第一场效应管的栅极连接VGS2，第二场效应管的栅极连接VGS1，两个场效应管的漏极均连接VDS2时，放大器处于双频工作模式。
进一步的，所述第一场效应管和第二场效应管的漏级通过漏极馈电电感与同一个开关连接，并且，第一场效应管和第二场效应管的栅极通过栅极偏置电感与不同的开关连接，所述第一场效应管和第二场效应管的栅极和漏级的工作电压通过开关选择栅极偏置电压VGS1或栅极偏置电压VGS2。
如图2所示：所述双电抗补偿网络包括位于理想场效应管1后方的四分之一波长微带线ZT1，位于理想场效应管2后方的串联四分之一波长微带线ZT2及ZT3。通过该双电抗补偿网络拓宽模式可切换Doherty功率放大器在宽带及双频工作模式下的载波放大器回退阻抗带宽范围。
所述可调漏极供电网络包括位于双补偿电抗网络与负载之间的馈电电感以及漏极供电电压VDS1和漏极供电电压VDS2。当两个场效应管的栅极和漏级的开关处于关断状态，放大器处于宽带工作模式，此时两个场效应管的漏极电压为VDS1，栅极电压分别为VGS1和VGS2；当两个场效应管的栅极和漏级的开关处于开启状态，放大器处于双频工作模式，此时可调漏极供电网络为两个场效应管提供更高的漏极电压VDS2，栅极电压分别为VGS2和VGS1，这样可以使得模式可切换Doherty功率放大器在双频工作模式下实现更加充分的负载调制，进一步提升饱和功率及效率。
其中，第一场效应管在AB工作模式时的栅极电压为栅极开启电压，即VGS2，在C工作模式的栅极电压为栅极关闭电压，即VGS1，第二场效应管在AB工作模式时栅极电压为栅极关闭电压VGS1，在C工作模式的栅极为栅极开启电压VGS2，并且，第一场效应管和第二场效应管在AB工作模式时的漏级电压为漏级开启电压，即VDS2，第一场效应管和第二场效应管在呈现出1.4倍最优负载阻抗时的漏极电压为漏级关闭电压，即VDS1。
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技术效果：
本发明公开了基于双补偿电抗及可调漏极电压技术的模式可切换Doherty功率放大器，相对于已有的宽带-双频双模Doherty功率放大器，可有效拓展工作带宽。同时相对于传统的数字Doherty功率放大器，在性能相近的条件下，仅需要一个输入端口，结构简单，可靠性高。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中Doherty功率放大器的拓扑结构图；
图2为本发明具体实施方式中双补偿电抗结构对宽带模式下载波放大器回退阻抗带宽拓宽示意图；
图3为本发明具体实施方式中双补偿电抗结构对双频模式下载波放大器回退阻抗带宽展宽示意图；
图4为本发明具体实施方式中可调漏极供电技术对Doherty功率放大器在双频工作模式下的负载调制改善示意图；
图5为本发明具体实施方式中Doherty放大器饱和功率、饱和效率以及回退效率随频率变化的实测曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于双补偿电抗及可调漏极电压技术的模式可切换Doherty功率放大器，包括双电抗补偿网络4和可调漏极供电网络5，如图1所示。
双电抗补偿网络4包括位于理想场效应管T1后方的四分之一波长微带线41，位于理想场效应管T2后方的串联四分之一波长微带线42及43。该双补偿电抗网络能够有效拓宽载波放大器在回退工作时的回退阻抗带宽范围。如图2所示，三角图例表示传统Doherty放大器在宽带工作时的载波放大器回退阻抗频率响应，方形图例表示本发明在宽带工作时载波放大器回退阻抗频率响应。如图3所示，三角图例表示传统Doherty放大器在双频模式工作时的载波放大器回退阻抗频率响应，方形图例表示本发明在双频模式工作时载波放大器回退阻抗频率响应。由图2和图3可见，本发明使用的双补偿电抗网络能够有效拓宽Doherty功率放大器在宽带及双频工作模式下载波放大器回退阻抗的带宽范围。
可调漏极供电网络5包括位于双电抗补偿网络4与负载6之间的馈电电感51以及漏极供电电压VDS1 51和漏极供电电压VDS2 52。当开关处于关断状态，放大器处于宽带工作模式，此时两个场效应管的漏极电压均为VDS1 51，当开关处于开启状态，放大器处于双频工作模式，此时可调漏极供电网络5为两个场效应管提供更高的漏极电压VDS2 52以改善双频模式下Doherty功率放大器不充分的负载调制。
图4为本具体实施方式中Doherty功率放大器在双频工作模式下1.1GHz处使用两种不同的漏极供电电压VDS1及VDS2时载波和峰值放大器的有源负载阻抗，当采用更高的漏极电压VDS2时，负载调制更加充分，Doherty功率放大器的饱和功率得以进一步提升。
图5为本具体实施方式中Doherty功率放大器的大信号特性测试结果。如图5所示，黑色上三角图例代表饱和时的曲线，黑色圆形图例为回退工作时的曲线，其中实心圆代表6-dB回退，空心圆代表8-dB回退。本具体实施方式的Doherty功率放大器的中心频率为2.1GHz，带宽为2.6GHz，全频带饱和功率为43.4-44.7dBm，饱和效率为51.3-70.3％。宽带工作模式频段为1.3-2.9GHz，宽带模式下6-dB回退效率为45.3-56.1％。双频模式工作频段为0.8-1.3GH以及2.9-3.4GHz，双频模式下8-dB回退效率为41.6-57.9％。仿真结果与测试结果具有良好的一致性。

Claims (2)

1.一种基于双补偿电抗及可调漏极电压技术的模式可切换Doherty功率放大器，其特征在于：包括输入匹配网络(1)，双电抗补偿网络(4)，端接负载(6)，所述的Doherty功率放大器输入匹配网络(1)由威尔金森功分器(11)，相位补偿网络(12)以及两个相同的输入匹配网络组成；
所述威尔金森功分器(11)两端分别连接相位补偿网络(12)和第一输入匹配网络，所述相位补偿网络(12)与第二输入匹配网络连接，第二输入匹配网络一端与第一场效应管栅极连接，第一场效应管的源级接地，其漏级与第一四分之一波长微带线(41)串联，并且第一四分之一波长微带线(41)另一端通过端接负载(6)接地；
所述第一输入匹配网络一端与第二场效应管栅极连接，第二场效应管的源级接地，其漏级与第二四分之一波长微带线(42)连接、第三四分之一波长微带线(43)串联，第三四分之一波长微带线(42)另一端通过端接负载(6)接地；
第一场效应管在AB类工作状态时的栅极电压为栅极关闭电压VGS1，在C类工作状态时的栅极电压为栅极开启电压VGS2，第二场效应管在AB类工作状态时栅极电压为栅极开启电压VGS1，在C类工作状态时的栅极为栅极关闭电压VGS2，并且，第一场效应管和第二场效应管在AB类工作状态时的漏级电压为漏级关闭电压VDS1，第一场效应管和第二场效应管在呈现出1.4倍最优负载阻抗时的漏极电压为漏级开启电压VDS2；
当第一场效应管和第二场效应管的栅极和漏级均连接开启电压时，放大器处于双频工作模式；当第一场效应管和第二场效应管的栅极和漏级连接关闭电压时，放大器处于宽带工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于双补偿电抗及可调漏极电压技术的模式可切换Doherty功率放大器，其特征在于：所述第一场效应管和第二场效应管的漏级通过漏极馈电电感与同一个开关连接，并且，第一场效应管和第二场效应管的栅极通过栅极偏置电感与不同的开关连接，所述第一场效应管和第二场效应管的栅极和漏级的工作电压通过开关选择开启或关闭状态电压。
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