CN112367053A - 一种太赫兹频段阶梯型偏置多合体功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹频段阶梯型偏置多合体功率放大器，包括功率分配器、三级主功放、三级辅功放、功率合成器以及输出端L型阻抗变换网络；功率分配器由一号变压器构成；三级主功放包括依次连接的一号主功率放大器、二号变压器、二号主功率放大器、三号变压器、三号主功率放大器；三级辅功放包括依次连接的一号辅功率放大器、五号变压器、二号辅功率放大器、六号变压器、三号辅功率放大器；功率合成器由四号变压器和七号变压器构成；输出端L型阻抗变换网络包括一号传输线、二号传输线、负载。本发明可以提高辅功放一路的增益、饱和输出功率以及饱和输出电流，使得太赫兹频段多级Doherty功放负载调制更优，并提高Doherty功率放大器的综合性能。
Description
技术领域
本发明属于无线通信功率放大器领域，更具体的说，是涉及一种太赫兹频段阶梯型偏置多合体功率放大器。
背景技术
在2019年的美国纽约布鲁克林5G高峰会(Brooklyn 5G Summit)上，纽约大学(NYU)教授Ted Rappaport的简报介绍了在大概2030年到2035年之间会变成6G技术的初步研究[1]。5G使用毫米波进行通信，而6G有望使用太赫兹技术，这将大大提升6G网络的网络容量及网络速度。同时，相对于现有微波毫米波通信频段的频谱，太赫兹频段具有海量的频谱资源，可用于超宽带超高速无线通信。而现代通信标准的通信信号通常具有较高的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)。具有高PAPR的信号对通信系统尤其是功率放大器提出了较高的要求，其要求功率放大器在功率回退区域仍然具有较高的效率。传统的A类或者AB类功率放大器达到饱和时，功率附加效率(Power Added Efficiency,PAE)也达到最大值，功率回退6dB甚至更多时，功率放大器PAE大幅度降低，大部分以热能的形式散失，这造成了能源的浪费，且给整个通信系统的散热造成了极大的负担，严重影响了系统的性能。所以传统A类或者AB类功率放大器已经不能满足现代通信系统的要求。为了提高功率放大器在输出功率回退区域的效率，国内外研究人员提出了各种方案，其中Doherty功率放大器是一种较为容易实现并具有竞争力的技术，相比于其他技术，例如包络跟踪、可重构技术等，其结构简单，不需要额外的控制电路，不会受到控制电路的带宽限制。
而使用硅基工艺在太赫兹频段进行DPA的设计要面临诸多挑战：例如功放的性能将受到晶体管功率增益和低击穿电压的限制，导致放大器具有较低的增益和输出功率[3]；此外无源器件的的损耗也降低了太赫兹频段功率放大器的增益。对于DPA来说，偏置在C类的辅功放在此频段增益更低，且其饱和输出功率与饱和输出电流与偏置在A/AB类的主功放相差更大，这恶化了DPA的负载调制，严重降低了太赫兹频段DPA的性能。在毫米波Doherty功放设计上，Shichang Chen在辅PA上采用新型自适应偏置电路来动态调整峰值PA的偏置电压，以解决由C类偏置条件带来的低增益问题[4],YenChih Chen同样在DPA功率级中的辅功放栅极偏置上使用自适应偏置电路[5],提高辅功放在高功率区域内的增益、饱和输出功率以及输出电流；Dong Chen设计了工作在60GHz的非对称DPA，其辅功放一路晶体管尺寸大于主功放一路晶体管尺寸，且其使峰值功放一路中驱动级栅极偏置在深C类，功率级栅极偏置在浅C类，以此来提高辅功放一路的增益、饱和输出功率以及饱和输出电流[6]。自适应偏置电路可以较好的提高辅功放一路的增益、输出功率以及饱和输出电流，但是其增加了电路的复杂性；非对称DPA的设计同样可以缓解毫米波DPA辅功放因偏置在C类而带来的问题，但功率级的大尺寸辅功放会带来相对较大的阻抗变换比，且其会导致DPA功率放大器主/辅功放输出端版图的不对称，带来主/辅功放两路信号在功率合成点相位不一致等的问题，进而降低DPA的性能。
综上所述，在太赫兹频段进行DPA的设计，需要提出一种新的方案，来解决辅功放一路因偏置在C类而带来的低增益、低饱和输出功率以及低饱和输出电流的问题。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种太赫兹频段阶梯型偏置多合体功率放大器，采用“阶梯型辅功放偏置技术”，可以提高辅功放一路的增益、饱和输出功率以及饱和输出电流，使得太赫兹频段多级Doherty功放负载调制更优，并提高Doherty功率放大器的综合性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明太赫兹频段阶梯型偏置多合体功率放大器，包括功率分配器、三级主功放、三级辅功放、功率合成器以及输出端L型阻抗变换网络；
所述功率分配器由一号变压器构成，一号变压器的初级线圈的信号输入a端口经信号输入端点、源阻抗接地，初级线圈的另一端口接地；
所述三级主功放包括一号主功率放大器、二号主功率放大器、三号主功率放大器，所述一号主功率放大器和二号主功率放大器通过二号变压器连接，所述二号主功率放大器和三号主功率放大器通过三号变压器连接；所述一号主功率放大器的0°相位输入端口和180°相位输入端口分别连接一号变压器次级线圈的信号输出c端口和b端口；
所述三级辅功放包括一号辅功率放大器、二号辅功率放大器、三号辅功率放大器，所述一号辅功率放大器和二号辅功率放大器通过五号变压器连接，所述二号辅功率放大器和三号辅功率放大器通过六号变压器连接；所述一号辅功率放大器的0°相位输入端口和180°相位输入端口分别连接一号变压器次级线圈的信号输出c端口和b端口；
所述功率合成器由四号变压器和七号变压器构成，所述四号变压器初级线圈的信号输入端连接三号主功率放大器的输出端，所述四号变压器次级线圈的信号输出g端口接地，信号输出h端口连接信号合路点m；所述七号变压器初级线圈的信号输入端连接三号辅功率放大器的输出端，所述七号变压器次级线圈的信号输出l端口接地，信号输出k端口连接信号合路点m；
所述输出端L型阻抗变换网络包括一号传输线、二号传输线、负载，所述一号传输线的输入端连接信号合成点m，所述二号传输线一端接地，另一端连接一号传输线的输出端n点，所述负载一端接地，另一端经信号输出端点连接至一号传输线的输出端n点。
所述一号主功率放大器、二号主功率放大器、三号主功率放大器的栅极偏置均为A类。
所述一号辅功率放大器、二号辅功率放大器、三号辅功率放大器的栅极偏置为逐级递增的“阶梯型辅功放栅极偏置”形式，即一号辅功率放大器的栅极偏置为C类，二号辅功率放大器的栅极偏置为AB类，三号辅功率放大器的栅极偏置为A类。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明采用逐级递增的“阶梯型辅功放栅极偏置技术”，可以缓解传统DPA辅功放一路各级功放均为C类偏置带来的低增益、低输出功率以及低饱和输出电流的问题。
(2)本发明采用逐级递增的“阶梯型辅功放栅极偏置技术”，在保证主/辅两路功放饱和输出功率、饱和输出电流和增益相近的情况下，多级DPA的功率级可为对称形式，即其功率级所使用晶体管尺寸相同，这样可使得功率级主/辅功放输出端的匹配网络版图对称，避免非对称匹配网络带来的功率合成点处信号相位不一致等问题。
(3)采用本发明的辅功放栅极偏置方式，可避免使用额外的电路来增加辅功放一路的增益以及输出功率和电流，降低了电路的复杂性。
附图说明
图1是本发明太赫兹频段阶梯型偏置多合体功率放大器示意图；
图2是CS+中和电容单元功放示意图。
附图标记：Rin源阻抗；RFIN信号输入端点；Tr1一号变压器；Tr2二号变压器；Tr3三号变压器；Tr4四号变压器；Tr5五号变压器；Tr6六号变压器；Tr7七号变压器；PA1,C一号主功率放大器；PA2,C二号主功率放大器；PA3,C三号主功率放大器；PA1,P一号辅功率放大器；PA2,P二号辅功率放大器；PA3,P三号辅功率放大器；TL1一号传输线；TL2二号传输线；RL负载；RFOUT信号输出端点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明太赫兹频段阶梯型偏置多合体功率放大器，主要由五部分构成，包括功率分配器、三级主功放、三级辅功放、功率合成器以及输出端L型阻抗变换网络。
所述功率分配器由一号变压器Tr1构成，一号变压器初级线圈Pc1的信号输入a端口经信号输入端点RFIN、源阻抗Rin接地，一号变压器初级线圈Pc1的另一端口接地，以此构成单端输入。将一号主功率放大器PA1,C和一号辅助功率放大器PA1,P的输入端与源阻抗Rin(50欧)进行匹配。单端信号从号变压器初级线圈Pc1的a端口接入，经过一号变压器Tr1转换成差分信号从信号输出b端口和c端口输出，其中，信号输出b端口分别接入到一号主功率放大器PA1,C和一号辅功率放大器PA1,P的180°相位输入端口，信号输出c端口分别接入到一号主功率放大器PA1,C和一号辅功率放大器PA1,P的0°相位输入端口。
所述三级主功放由一号主功率放大器PA1,C、二号主功率放大器PA2,C、三号主功率放大器PA3,C构成，三级功放结构是为了提高主功放一路的增益。所述一号主功率放大器PA1,C和二号主功率放大器PA2,C通过二号变压器Tr2连接，二号变压器Tr2的初级线圈Pc2连接一号主功率放大器PA1,C的输出端口，次级线圈Sc2连接二号主功率放大器PA2,C的输入端口，二号变压器Tr2起到一号主功率放大器PA1,C与二号主功率放大器PA2,C的级间匹配的作用；同理，所述二号主功率放大器和三号主功率放大器通过三号变压器连接，三号变压器Tr3的初级线圈Pc3连接二号主功率放大器PA2,C的输出端口，次级线圈Sc3连接三号主功率放大器PA3,C的输入端口，Tr3起到二号主功率放大器PA2,C与三号主功率放大器PA3,C的级间匹配的作用。为了提高太赫兹频段功放的输出功率及增益，所述一号主功率放大器PA1,C、二号主功率放大器PA2,C、三号主功率放大器PA3,C的栅极偏置均为A类，即VGS1,C、VGS2,C、VGS3,C的栅极偏压为A类功放的偏置。其中，一号主功率放大器PA1,C、二号主功率放大器PA2,C、三号主功率放大器PA3,C均为CS+中和电容结构，如图2所示，由于此结构较为成熟，在此不再进行介绍。
所述三级辅功放由一号辅功率放大器PA1,P、二号辅功率放大器PA2,P、三号辅功率放大器PA3,P构成，三级功放结构同样是为了提高辅功放一路的增益。所述一号辅功率放大器PA1,P和二号辅功率放大器PA2,P通过五号变压器Tr5连接，五号变压器Tr5的初级线圈Pc5连接一号辅功率放大器PA1,P的输出端口，次级线圈Sc5连接二号辅功率放大器PA2,P的输入端口，五号变压器Tr5起到一号辅功率放大器PA1,P与二号辅功率放大器PA2,P的级间匹配的作用；同理，所述二号辅功率放大器PA2,P和三号辅功率放大器PA3,P通过六号变压器Tr6连接，六号变压器Tr6的初级线圈Pc6连接二号辅功率放大器PA2,P的输出端口，次级线圈Sc6连接三号辅功率放大器PA3,P的输入端口，六号变压器Tr6起到二号辅功率放大器PA2,P与三号辅功率放大器PA3,P的级间匹配的作用。为了提高太赫兹频段功放的输出功率及增益，所述一号辅功率放大器PA1,P、二号辅功率放大器PA2,P、三号辅功率放大器PA3,P的栅极偏置为逐级递增的“阶梯型辅功放栅极偏置”形式，即一号辅功率放大器PA1,P的栅极偏置为C类，二号辅功率放大器PA2,P的栅极偏置为AB类，三号辅功率放大器PA3,P的栅极偏置为A类。其中，一号辅功率放大器PA1,P、二号辅功率放大器PA2,P、三号辅功率放大器PA3,P均为CS+中和电容结构如图2所示，由于此结构较为成熟，在此不再进行介绍。
功率合成器沿用了传统DPA的电流合成方式，采用基于变压器的电流功率合成方式。与传统DPA的功率合成方式不同之处为主/辅功放两路的功率级(PA3,C/PA3,P)输出端的变压器Tr4/Tr7除了起到阻抗匹配的作用(将主/辅功放功率级单元PA3,C/PA3,P输出阻抗分别匹配到20欧)外，四号变压器Tr4还起到进行阻抗变换的作用以及调节相位的作用，七号变压器Tr7还起到调节相位的作用以及阻止低输入功率时主功放一路的功率泄露到辅功放一路的作用。具体地，所述功率合成器由四号变压器Tr4和七号变压器Tr7构成，所述四号变压器Tr4初级线圈Pc4的信号输入端e、f连接三号主功率放大器PA3,C的输出端，所述四号变压器Tr4次级线圈Sc4的信号输出g端口接地，信号输出h端口连接信号合路点m；同理，所述七号变压器Tr7初级线圈Pc7的信号输入端i、j连接三号辅功率放大器PA3,C的输出端，所述七号变压器Tr7次级线圈Pc7的信号输出l端口接地，信号输出k端口连接信号合路点m；以此，主/辅两路信号在m点合成。这种功率合成网络避免了使用传统DPA的90°阻抗逆变器(其是限制DPA工作带宽的一个重要因素)，拓展了传统DPA的工作带宽。
所述输出端L型阻抗变换网络包括一号传输线TL1、二号传输线TL2、负载RL，所述一号传输线TL1的输入端连接信号合成点m，所述二号传输线TL2一端接地，另一端连接一号传输线TL1的输出端n点，所述负载RL(50欧)一端接地，另一端经信号输出端点RFOUT连接至一号传输线TL1的输出端n点。输出端L型阻抗变换网络，工作在太赫兹频段功放面临输出阻抗太小的问题，这增大了50欧负载RL与功放输出阻抗进行匹配的难度，若直接进行匹配，则会出现阻抗变换比过大的问题，造成匹配困难甚至失配进而导致匹配网络损耗过大。因此，本发明在主/辅功放两路合成点m点以后，增加了输出端L型阻抗变换网络，目的是将50欧负载进行阻抗变换，使得从m点看向负载的阻抗变换到10欧，以此，在高输入功率，主/辅功放两路同时工作并达到饱和输出功率时，主/辅功放两路功率级PA3,C/PA3,P的输出阻抗可以匹配到20欧，而不是100欧，这大大减小了主/辅功放两路功率级输出匹配网络的阻抗变换比，使得变压器匹配更容易实现。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (3)
1.一种太赫兹频段阶梯型偏置多合体功率放大器，其特征在于，包括功率分配器、三级主功放、三级辅功放、功率合成器以及输出端L型阻抗变换网络；
所述功率分配器由一号变压器构成，一号变压器的初级线圈的信号输入a端口经信号输入端点、源阻抗接地，初级线圈的另一端口接地；
所述三级主功放包括一号主功率放大器、二号主功率放大器、三号主功率放大器，所述一号主功率放大器和二号主功率放大器通过二号变压器连接，所述二号主功率放大器和三号主功率放大器通过三号变压器连接；所述一号主功率放大器的0°相位输入端口和180°相位输入端口分别连接一号变压器次级线圈的信号输出c端口和b端口；
所述三级辅功放包括一号辅功率放大器、二号辅功率放大器、三号辅功率放大器，所述一号辅功率放大器和二号辅功率放大器通过五号变压器连接，所述二号辅功率放大器和三号辅功率放大器通过六号变压器连接；所述一号辅功率放大器的0°相位输入端口和180°相位输入端口分别连接一号变压器次级线圈的信号输出c端口和b端口；
所述功率合成器由四号变压器和七号变压器构成，所述四号变压器初级线圈的信号输入端连接三号主功率放大器的输出端，所述四号变压器次级线圈的信号输出g端口接地，信号输出h端口连接信号合路点m；所述七号变压器初级线圈的信号输入端连接三号辅功率放大器的输出端，所述七号变压器次级线圈的信号输出l端口接地，信号输出k端口连接信号合路点m；
所述输出端L型阻抗变换网络包括一号传输线、二号传输线、负载，所述一号传输线的输入端连接信号合成点m，所述二号传输线一端接地，另一端连接一号传输线的输出端n点，所述负载一端接地，另一端经信号输出端点连接至一号传输线的输出端n点。
2.根据权利要求1所述的太赫兹频段阶梯型偏置多合体功率放大器，其特征在于，所述一号主功率放大器、二号主功率放大器、三号主功率放大器的栅极偏置均为A类。
3.根据权利要求1所述的太赫兹频段阶梯型偏置多合体功率放大器，其特征在于，所述一号辅功率放大器、二号辅功率放大器、三号辅功率放大器的栅极偏置为逐级递增的“阶梯型辅功放栅极偏置”形式，即一号辅功率放大器的栅极偏置为C类，二号辅功率放大器的栅极偏置为AB类，三号辅功率放大器的栅极偏置为A类。
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