CN112448677A - 一种大带宽紧凑型的Doherty 功率放大器结构 - Google Patents

Abstract

一种大带宽紧凑型的Doherty放大器结构，主要包括两个部分，主功率放大器分支和峰值放大器分支。其中，在主功率放大器的分支有主功放输入匹配网络、主功率放大器和主功放输出匹配网络；峰值放大器分支有峰值功放输入匹配网络、峰值功率放大器和峰值功放输出匹配网络。另外，两条放大器之路的输入端是一个功分器，输出端是负载；该结构通过采用无传输线负载调制结构，完全去除Doherty架构中的阻抗传输线和偏移线，解决了Doherty放大器的带宽限制。放大器的工作带宽完全由阻抗匹配网络定义，并且使放大器的结构更为紧凑，降低了输出损耗，提升了放大器的带宽范围和效率。

Description

一种大带宽紧凑型的Doherty 功率放大器结构

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是大带宽范围和紧凑型Doherty功率放大器的设计制造，提升在功率回退6dB情况下的漏极效率，从而提高Doherty功率放大器的性能。

背景技术

射频功率放大器是发射系统中最重要的模块之一，己广泛应用于卫星、广播电子对抗等统中。随着无线通讯技术的日臻完善，第五代通讯技术将问世，也对通讯系统中的功率放大器有了更高层次的要求。

由于需要高容量的数据传输，导致采用频谱高效调制方案。这些信号具有很高的峰均功率比(PAPR)。功率放大器（PA）具有高的PAPR信号，必须在一定的输出功率回退下工作，以满足线性要求。在输出功率回退中工作，导致PA的效率急剧下降。目前提高射频功率放大器效率的技术主要有LINC技术、包络消除与恢复技术、Doherty技术和包络跟踪技术等。对比之下，Doherty结构有着更为简易的额外电路，可使设计成本降低，且具有更高的工作效率。它的工作原理是基于负载牵引调制技术。图1为传统Doherty放大器的框图。它由一个主功率放大器和一个辅助功率放大器组成。主功率放大器叫做载波放大器，辅助功率放大器称为调峰放大器。主功率放大器一般是B类功率放大器，而辅助功率放大器通常是C类功率放大器。主功率放大器输出端连接有1/4波长的传输线。为了补偿柱放大器输出端传输线引起的90°相移，辅助功率放大器的输入端同样连接了一段1/4波长的传输线。两个放大器中的晶体管都作为受控电流源工作。当输入功率较高时，主功率放大器饱和，电压增益降低。此时，辅助功率放大器工作。因此，当高功率输入下整个系统的线性化得到提升，并且在功率回退的情况下，系统能够保持高的效率。

Doherty放大器的一个限制是其工作带宽。四分之一波长传输线器和偏置线的存在限制了Doherty放大器的工作带宽。在Doherty放大器的设计中，另一个限制因素是功率回退时辅助放大器输出所需的准开路阻抗。在调峰晶体管的输出端有适当的负载阻抗时，在大带宽下不可能有高的输出阻抗。调峰晶体管应该能够提供足够的输出功率，为主放大器提供适当的负载调制。在传统的Doherty放大器中，分别在主功率放大器和辅助功率放大器的通路中增加了输出阻抗传输线，还在整体输出的通路上增加了偏移线,如图1所示。在功率放大器结构中的传输线和偏移线限制了所设计的功率放大器的带宽。本专利针对此问题，提出了一种无传输线负载调制结构的Doherty放大器，降低了系统的复杂度，提升了带宽范围。

负载牵引测量的概念最初是在射频/微波功率放大器、特别是非线性功率放大器的设计 遇到问题而提出来的。因为在这些设计中,人们十分关心的是功率器件的阻抗参数和器件的抗失配能力,而这是常用测量方法无法解决的。负载牵引方法可以通过不断调节输入和输出端的阻抗，找到让有源器件输出功率最大的输入、输出匹配阻抗。同理也可以得到让功率管效率最高的匹配阻抗。这种方法可以准确地测量出器件在大信号条件下的最优性能，反映出器件输入、输出阻抗随频率和输入功率变化的特性，为器件和电路的设计优化提供了坚实的基础。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种大带宽紧凑型的Doherty放大器结构，通过采用无传输线负载调制结构，完全去除Doherty架构中的阻抗传输线和偏移线，解决了Doherty放大器的带宽限制。放大器的工作带宽完全由阻抗匹配网络定义，并且使放大器的结构更为紧凑，降低了输出损耗，提升了放大器的带宽范围和效率。

一种大带宽紧凑型的Doherty放大器结构，如图2所示；主要包括两个部分，主功率放大器分支和峰值放大器分支。其中，在主功率放大器的分支有主功放输入匹配网络、主功率放大器和主功放输出匹配网络；峰值放大器分支有峰值功放输入匹配网络、峰值功率放大器和峰值功放输出匹配网络。另外，两条放大器之路的输入端是一个功分器，输出端是负载。由此可知放大器的结构从左到右依次为输入功分器、主功率放大器支路与峰值放大器支路和负载。

首先，将输入的功率输入到功分器，功分器将输入的能量分成两路输出相等能量分别输入到两条支路中，然后进行放大。如果输入的功率在主功率放大器的回退功率以下，则输入的功率只通过主功率放大器的支路并在此支路内进行放大；如果输入的功率比较大，并且在主支路中放大时会产生非线性的功率输出，那么此时将输入的功率分配到两条支路中分别进行放大。

当输入的能量进入放大支路后，存在两种情况。第一种：只在主支路中放大，此时的主支路的栅极控制主支路导通，而峰值放大器的支路栅极控制放大器为关闭状态，该支路不导通。第二种：两条支路的放大器的栅极控制改变电压状态使放大器都处于导通状态，功率被分为两路分别放大，最后合并到负载。

输入的功率在每一条支路中先要通过输入匹配网络进行功率的阻抗匹配和滤波，使特定的需要放大的频率的功率信号通过，进入放大器；功率信号进入放大器以后，功率被放大然后输出；功率放大器输出的信号再一次经过匹配网络，经过的输出匹配网络与负载端的阻抗进行匹配并滤波；最后，滤波后的功率信号到达负载端，完成功率的放大和传输。

其中，电路结构里面的匹配网络全部由集总的匹配网络组合而成，设计参数是通过设计软件中的负载牵引方法得到的。

一种大宽带紧凑型的Doherty功率放大器结构，其有益效果为：

1.该结构不使用偏移线或四分之一波长传输线，放大器可以设计为任意复杂(和频率变化)的负载阻抗，这意味着放大器的工作带宽完全由阻抗匹配网络定义；

2.由于无传输线负载调制结构不使用四分之一波长阻抗传输线，因此放大器的输出损耗将低于传统Doherty放大器。这有助于获得更高的输出功率和更高的效率；

3.该设计是基于实际的最佳阻抗从负载-牵引测量或模拟晶体管的非线性模型，所设计的模型比简化模型或理想化模型更符合实际的效果。

附图说明

图1是传统Doherty放大器结构；

图2是无传输线Doherty放大器结构；

图3是无传输线Doherty放大器原理图；

图4是匹配网络结构图。

具体实施方式

本发明提出了一种无传输线具有大带宽范围的放大器结构，通过去除传统Doherty放大器中的传输线和偏移线，利用阻抗匹配网络对放大器的频率变化和和输出功率进行调节以达到最优的效果。参考所需要设计的移动通信标准，选取满足设计要求的功放管，在本专利中主晶体管采用10瓦GaN CGH40010F器件，调峰晶体管采用25瓦GaNCGH40025F器件。在功放管的匹配电路设计之前，对选择的功放管进行静态工作点仿真分析。得到不同栅极电压下对应的漏极电流的直流特性曲线，并结合数据手册得到功放管的静态工作点。然后利用仿真软件中的稳定因子控件对功放管的稳定性进行分析，检查是否满足稳定性要求。接下来进行匹配网络的设计，本设计中是采用ADS软件中的load-pull控件，在软件中进行不断的迭代和优化，在Smith圆图中得到功放管的输出功率和效率圆，最后通过功率和效率的取舍得到最优的负载阻抗值，得到最优的功率输出。将己经得到的输入输出匹配电路与功放管相连，通过偏置电路分别给功放管的栅极和漏极上电，并适当的优化原理图的设计版面，就可以得到一个完整的功率放大器电路。完整的功率放大器电路的原理图如图3所示。本电路的最佳匹配频率是在2.3GHz的情况下匹配的。

功分器的结构相对简单，如图2中输入功分器部分所示，功分器有一个输入端和两个输出支路，每个输出的支路上通过微带线实现对功率的分配。功分器的两个支路上的微带线都设置为阻抗为70Ω，相位为90°，然后再两个微带线中间的增加隔离电阻，隔离电阻要选用贴片薄膜电阻，其宽度和微带线一致。通过对电路的反复修正，使电阻能避免两支路之间发生耦合，确定电阻的大小为100Ω。

在峰值放大器的输入端增加一个50Ω的延时线匹配主放大器和峰值放大器之间的相位和延时。如图3所示。

对于主功放和峰值功放，根据输出功率和偏置条件，两个支路采用不同的晶体管CGH40010F和CGH40025F，如图3所示。根据所采用的的功率晶体管参数可以计算出最大功率时所需要的电压以及最佳阻抗，主功率放大器和峰值功率放大器的漏极偏置分别为28V和32V，并且分别连接3.8nH和15nH的电感，以保证在满驱动的状态下两个放大器都达到相同的输出功率。

对于主功率放大器的功率回退区，主要考虑对功率的提升。一方面需要做的是通过匹配网络进行负载调制，使负载调制满足其最优负载阻抗。其中，主功率放大器的最优负载阻抗是在功率回退区得到的。另一方面需要考虑在功率回退区时，主功率放大器的功率泄漏到峰值放大器。因为在功率回退区时，峰值放大器电路可能产生小信号导纳，所以在峰值功率放大器的输出端应该包括一个无功电纳组件使峰值放大器上的功率消耗尽可能的小。在主放大器的支路中增加了栅极直流偏置电压，电压值为-2.3V，通过1.75nH的电感和25Ω的电阻连入电路中。在栅极偏置的左端通过一个27pF的电容与主功放的匹配网络相连接，右端为一个100Ω和一个8pF的电容并联连接到功率放大器的栅极，保持放大器的偏置功能。

接下来对应峰值功率区域，峰值晶体管同样应该达到最佳性能输出。所以对峰值该晶体管的负载阻抗进行调制，并且峰值晶体管的负载阻抗应该接近于在达到峰值功率时的最优负载阻抗。在对峰值放大器或者主功率放大器进行负载阻抗调制时，仍然是通过对RLC集总单元中的电容、电感等元件的值进行调整，通过负载牵引技术计算出最优值并调整集总单元。出于对峰值放大器效率的考虑，当峰值放大器在关断时，晶体管应该有较低的直流功耗甚至是零电流消耗。峰值晶体管的栅极增加适当的偏置，在峰值放大器的栅极加-4.6V的电压偏置。由于偏置电压为直流电压，不能直接加在射频电路中，所以需要增加扼流电感。在本结构中电感值为0.5nH。在栅极偏置的左端通过一个8.1pF的电容与峰值功放的匹配网络相连接，右端为一个70Ω和一个7pF的电容并联连接到功率放大器的栅极，保持放大器的偏置功能。主功率放大器和峰值放大器的源极都接地。

主功放输入匹配网络由三个π型匹配网络结构和一个并联接地的电感组合而成，其中，各个元件的值从左到右依次为：4nH电感、0.22pF电容、2.2 pF电容、2.6 pF电容、1.2nH电感、12.7 电容pF、0.1 nH电感、0.35 nH电感。主功放输出匹配网络为一个串联的2.5 nH电感。峰值功放输入匹配网络是由两个π型匹配结构组成，从左到右依次为1.6pF电容、2.2 nH电感、5.2pF电容、6.9 nH电感、0.86 nH电感和0.75 nH电感。峰值功放输出匹配网络由一个L型匹配网络、一个π型匹配网络和一个串联LC网络组成，从左到右依次为9pF电容、1 nH电感、5.1 nH电感、1.5pF电容、6.8 nH电感和0.5pF电容。匹配网络结构图如图4所示。

Claims (2)

1.一种大带宽紧凑型的Doherty放大器结构，其特征在于：主要包括两个部分，主功率放大器分支和峰值放大器分支；在主功率放大器的分支有主功放输入匹配网络、主功率放大器和主功放输出匹配网络；峰值放大器分支有峰值功放输入匹配网络、峰值功率放大器和峰值功放输出匹配网络；两条放大器支路的输入端是一个功分器，输出端是负载；放大器的结构从左到右依次为输入功分器、主功率放大器支路与峰值放大器支路和负载。

2.根据权利要求1所述一种大带宽紧凑型的Doherty放大器结构，其特征在于：首先，将输入的功率输入到功分器，功分器将输入的能量分成两路输出相等能量分别输入到两条支路中，进行放大；如果输入的功率在主功率放大器的回退功率以下，则输入的功率只通过主功率放大器的支路并在此支路内进行放大；如果输入的功率比较大，并且在主支路中放大时会产生非线性的功率输出，那么此时将输入的功率分配到两条支路中分别进行放大；

当输入的能量进入放大支路后，存在两种情况：第一种，只在主支路中放大，此时的主支路的栅极控制主支路导通，而峰值放大器的支路栅极控制放大器为关闭状态，该支路不导通；第二种，两条支路的放大器的栅极控制改变电压状态使放大器都处于导通状态，功率被分为两路分别放大，最后合并到负载；

输入的功率在每一条支路中先要通过输入匹配网络进行功率的阻抗匹配和滤波，使特定的需要放大的频率的功率信号通过，进入放大器；功率信号进入放大器以后，功率被放大然后输出；功率放大器输出的信号再一次经过匹配网络，经过的输出匹配网络与负载端的阻抗进行匹配并滤波；最后，滤波后的功率信号到达负载端，完成功率的放大和传输。

Images