CN112838831B - 一种新型后匹配结构Doherty功率放大器 - Google Patents
一种新型后匹配结构Doherty功率放大器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种新型后匹配结构Doherty功率放大器，包括：功分器、载波功放相位补偿线、载波功率放大模块、峰值功率放大模块、峰值功放相位补偿线和后匹配电路；载波功率放大模块包括第一输入匹配电路、载波功率放大器和第一输出匹配电路；峰值功率放大模块包括第二输入匹配电路、峰值功率放大器和第二输出匹配电路；本发明通过设计具有二次谐波抑制功能的后匹配结构来提升效率，对峰值功率放大模块第二输出匹配电路采用准椭圆滤波结构进行基波匹配和二次谐波抑制，载波功率放大模块第一输出匹配电路采用双阻抗匹配的方式进行基波匹配，即合路后二次谐波大部分都由载波功率放大模块产生，通过合路以后二次谐波抑制电路便可以提升效率。
Description
技术领域
本发明涉及广播电视发射功放领域，特别是涉及一种新型后匹配结构Doherty功率放大器。
背景技术
随着通信及广播电视行业的发展，频谱资源日益紧张，为了充分利用频谱资源，高阶信号调制方式的发展使得信号峰均比(PAPR)越来越大，对功率放大器的功率回退区间效率提出了挑战，Doherty功率放大器因其结构简单、易于实现且回退效率高备受青睐。
Doherty功率放大器因其兼顾高效率和高线性成为近年的研究热点，传统的Doherty功率放大器主要利用有源负载牵引技术来实现，但是起有源牵引作用的四分之一阻抗变换线对Doherty功率放大器的带宽带来了很大的带宽限制。而无线通信技术的发展使得功率放大器在大多数时候工作在一个较宽的频段，传统Doherty功率放大器很明显不满足这种要求。一种基于后匹配结构的新型Doherty功率放大器应运而生，尽管该新型功率放大器可以有效的扩展带宽，但是对于载波功率放大器的输出匹配电路不仅需要满足饱和状态和回退状态下的匹配，还需要起到阻抗逆变网络的作用，这给Doherty的设计带来了更严苛的条件，针对于这种现状，提出了一种简单的后匹配结构来实现在宽带匹配的条件下，提高回退效率。
发明内容
本发明提供一种新型后匹配结构Doherty功率放大器，旨在提供一种需要保证效率的同时，实现扩展宽带的一种新型后匹配结构Doherty功率放大器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种新型后匹配结构Doherty功率放大器，其特征在于，包括：功分器、载波功放相位补偿线、载波功率放大模块、峰值功率放大模块、峰值功放相位补偿线和后匹配电路；功分器的输出端分别连接载波功放的相位补偿线和峰值功率放大模块的输入端；所述载波功放相位补偿线输出端连接载波功率放大模块的输入端；峰值功率放大模块的输出端连接峰值功放相位补偿线的输入端；载波功率放大模块的输出端和峰值功放相位补偿线的输出端连接后匹配电路的输入端；载波功率放大模块包括依次串联的第一输入匹配电路、载波功率放大器和第一输出匹配电路；峰值功率放大模块包括依次串联的第二输入匹配电路、峰值功率放大器和第二输出匹配电路。
进一步的，所述功分器包括第一电感L1、第一电容C1、第二电感L2、第二电容C2、第三电感L3、第三电容C3、第四电感L4、第四电容C4、第一电阻R1、第五电容C5；输入信号端同时连接第一电感L1和第三电感L3的一端；第一电感L1的另一端同时连接第一电容C1和第二电感L2；第一电容C1的另一端接地；第二电感L2的另一端连接第二电容C2和第一电阻R1，同时连接载波功放的相位补偿线的输入端；第二电容C2的另一端接地；第一电阻R1的另一端连接第五电容C5；第三电感L3的另一端分别连接第四电感L4和第三电容C3；第三电容C3另一端接地；第四电感L4的另一端分别连接第四电容C4、第五电容C5的另一端和第二输入匹配电路的输入端；第四电容C4的另一端接地。
进一步的，所述第二输出匹配电路包括第一阻抗调谐线TL1、第二阻抗调谐线TL2、第三阻抗调谐线TL3、第四阻抗调谐线TL4、第五阻抗调谐线TL5、第五电感L5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8；峰值功率放大器的输出端连接第一阻抗调谐线TL1；第一阻抗调谐线TL1的另一端同时连接第五电感L5和第二阻抗调谐线TL2；第五电感L5的另一端连接第八电容C8；第八电容C8的另一端接地；第二阻抗调谐线TL2的另一端同时连接第三阻抗调谐线TL3和第四阻抗调谐线TL4；第三阻抗调谐线TL3的另一端连接第六电容C6；第六电容C6的另一端接地；第四阻抗调谐线TL4的另一端同时连接第五阻抗调谐线TL5和第七电容C7；第七电容C7另一端接地；第五阻抗调谐线TL5另一端连接峰值功放相位补偿线输入端。
进一步的，所述后匹配电路包括第六阻抗调谐线TL6、第六电感L6、第七电感L7、第八电感L8、第九电容C9、第十电容C10、第二电阻R2；第六阻抗调谐线TL6一端连接第一输出匹配电路和峰值功放相位补偿线的输出端；第六阻抗调谐线TL6的另一端同时连接第六电感L6和第八电感L8；第六电感L6的另一端分别连接第七电感L7和第十电容C10；第十电容C10另一端接地；第七电感L7另一端同时连接第八电感L8另一端、第九电容C9和第二电阻R2；第九电容C9另一端接地；第二电阻R2另一端接地。
本发明的有益效果在于：
本发明通过设计具有二次谐波抑制功能的后匹配结构来实现Doherty功率放大器的回退点和饱和点效率的提升，对于峰值功率放大模块的第二输出匹配电路采用准椭圆滤波结构进行基波匹配和二次谐波抑制，载波功率放大模块的第一输出匹配电路采用双阻抗匹配的方式进行基波匹配，即合路后的二次谐波大部分都由载波功率放大模块产生，通过合路以后的二次谐波抑制电路便可以实现效率的提升。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述的新型后匹配Doherty功率放大器的整体结构框图；
图中，1、功分器；2、载波功放相位补偿线；3、载波功率放大模块；3-1、第一输入匹配电路；3-2、载波功率放大器；3-3、第一输出匹配电路；4、峰值功率放大模块；4-1、第二输入匹配电路；4-2、峰值功率放大器；4-3、第二输出匹配电路；5、峰值功放相位补偿线；6、后匹配电路；
图2是本发明载波功率放大模块第一输出匹配电路结果图；
图3是本发明小型化功分器结构图；
图4是本发明峰值功率放大模块准椭圆滤波第二输出匹配电路结构图；
图5是本发明峰值功率放大模块准椭圆滤波第二输出匹配电路结果图；
图6是本发明峰值功率放大模块准椭圆滤波第二输出匹配带阻抗调谐线的阻抗解空间图；
图7是本发明后匹配电路结构图；
图8是本发明后匹配电路的基波和二次谐波阻抗解空间分布图；
图9是本发明提供的一种基于新型后匹配结构的Doherty功率放大器的漏级效率与输出功率的关系图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明所述的新型后匹配Doherty功率放大器的整体结构框图，如图1所示，一种新型后匹配结构Doherty功率放大器，其特征在于，包括：功分器1、载波功放相位补偿线2、载波功率放大模块3、峰值功率放大模块4、峰值功放相位补偿线5和后匹配电路6；所述功分器1的输出端分别连接载波功放的相位补偿线2和峰值功率放大模块4的输入端；所述载波功放相位补偿线2输出端连接载波功率放大模块3的输入端；所述峰值功率放大模块4的输出端连接峰值功放相位补偿线5的输入端；所述载波功率放大模块3的输出端和峰值功放相位补偿线5的输出端连接后匹配电路6的输入端；所述载波功率放大模块3包括依次串联的第一输入匹配电路3-1、载波功率放大器3-2和第一输出匹配电路3-3；所述峰值功率放大模块4包括依次串联的第二输入匹配电路4-1、峰值功率放大器4-2和第二输出匹配电路4-3。
参照图1，功分器1用于将输入信号进行等功率平分为两路子输入信号并且通过两个输出端输出；功分器1采用了小型化设计，采用LC电路结构代替了传统的90度传输线结构来实现相应的小型化结构，减少设计尺寸；功分器1每个支路的四分之一波长线由两节LC电路代替，使功分器1的尺寸变小，中间隔离电路由一个电阻和一个电容串联组成。载波功放相位补偿线2与载波功率放大模块3的输入端连接，其采用50Ω微带线设计，其电长度由载波功率放大模块3和峰值功率放大模块4两路在合路点处的相位关系所决定，为60°，以保证输出信号在合路点能够同相合成。载波功放相位补偿线2是为了使得两路功率放大器的相位保持一致。载波功率放大模块3的第一输入匹配电路3-1和第一输出匹配电路3-3以及峰值功率放大模块4的第二输入匹配电路4-1均采用高低阶阻抗变换线的匹配方式进行匹配；所述的峰值功率放大模块4的第二输出匹配电路4-3采用准椭圆滤波结构进行二次谐波的抑制，让峰值功率放大模块4的二次谐波阻抗解落在负载牵引得到的阻抗解空间内；载波功率放大模块3的输入端和输出端采用高低阻抗变换线来进行匹配，使载波功率放大器3-2饱和状态和回退状态下的解落在阻抗解空间内；载波功率放大模块3的第一输入匹配电路3-1和第一输出匹配电路3-3均采用多节高低阻抗变换线来实现。峰值功率放大模块4的第二输出匹配电路4-3采用准椭圆滤波结构来进行二次谐波的抑制，以此来实现合路后的二次谐波均由载波功率放大模块3产生；峰值功率放大模块4的输出端采用准椭圆滤波匹配方式，对峰值功率放大器4-2的二次谐波进行抑制，使峰值功率放大器4-2的二次谐波阻抗解和基波阻抗解均落在其负载牵引得到的阻抗解空间内。峰值功放相位补偿线5与峰值功率放大模块4的输出端相连，用于当所述子输入信号功率小于放大功率阈值时使辅助功率放大器放大网络的输出阻抗在频带内都为无穷大，其放大功率阈值是由放大器的工作类型及放大器的栅极偏置电压决定，一般其阻抗解空间落在smith圆图的开路点附近，防止功率泄露；峰值功放相位补偿线5是为了实现峰值功率放大模块4在小信号阶段保持断开状态，使得小信号阶段即回退状态下只有载波功率放大模块3工作。后匹配电路6的输入端与两子路的输出端合路点相连接；后匹配电路6采用低通滤波电路并联一个电感来实现二次谐波抑制的效果；后匹配电路6采用简单的二次谐波抑制结构来提高效率，该结构由低通滤波电路并联一个电感来实现二次谐波抑制，并且通过一段阻抗调谐线使得二次谐波阻抗落在载波功放的二次谐波阻抗解空间内，结构简单易于实现。
结合图2，本发明所述的载波功率放大模块3包括依次串接而成的第一输入匹配电路3-1、载波功率放大器3-2和第一输出匹配电路3-3。载波功率放大器3-2工作在AB类工作状态，晶体管选用CGH40010F为例，其漏级采用28V的直流电源供电，在设计其输入输出匹配电路前，先进行稳定性设计，在晶体管满足工作频段稳定条件后进行负载牵引和源牵引，找到适合做匹配的最优阻抗，尤其对于第一输出匹配电路3-3，需要找到饱和状态和回退状态下的两个最优负载值，将他们在饱和状态下匹配到30Ω，回退状态下匹配到15Ω，如图2所示是用ADS电磁仿真平台搭建的优化电路得到的载波功率放大器3-2在饱和状态和回退状态下的匹配情况，S11和S33均在-15dB以下，达到了很好的匹配。
在具体的实施例中，所述功分器1包括第一电感L1、第一电容C1、第二电感L2、第二电容C2、第三电感L3、第三电容C3、第四电感L4、第四电容C4、第一电阻R1、第五电容C5；输入信号端同时连接第一电感L1和第三电感L3的一端；所述第一电感L1的另一端同时连接第一电容C1和第二电感L2；所述第一电容C1的另一端接地；所述第二电感L2的另一端连接第二电容C2和第一电阻R1，同时连接载波功放的相位补偿线2的输入端；所述第二电容C2的另一端接地；所述第一电阻R1的另一端连接第五电容C5；所述第三电感L3的另一端分别连接第四电感L4和第三电容C3；所述第三电容C3另一端接地；所述第四电感L4的另一端分别连接第四电容C4、第五电容C5的另一端和第二输入匹配电路4-1的输入端；所述第四电容C4的另一端接地。
结合图1和图3，本发明所述功分器1采用小型化威尔金森功分器设计，用于将输入功率进行分配，然后经过载波功放相位补偿线2与载波功率放大模块3相连，另外一端与峰值功率放大模块4的第二输入匹配电路4-1相连。如图3所示，小型化威尔金森功分器用两段LC电路代替传统的四分之一波长线，在实现小型化功分器的同时扩展了带宽，隔离电路采用一个100Ω的电阻和8PF的调谐电容组成。
在具体的实施例中，所述第二输出匹配电路4-3包括第一阻抗调谐线TL1、第二阻抗调谐线TL2、第三阻抗调谐线TL3、第四阻抗调谐线TL4、第五阻抗调谐线TL5、第五电感L5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8；所述峰值功率放大器4-2的输出端连接第一阻抗调谐线TL1；所述第一阻抗调谐线TL1的另一端同时连接第五电感L5和第二阻抗调谐线TL2；所述第五电感L5的另一端连接第八电容C8；所述第八电容C8的另一端接地；所述第二阻抗调谐线TL2的另一端同时连接第三阻抗调谐线TL3和第四阻抗调谐线TL4；所述第三阻抗调谐线TL3的另一端连接第六电容C6；所述第六电容C6的另一端接地；所述第四阻抗调谐线TL4的另一端同时连接第五阻抗调谐线TL5和第七电容C7；所述第七电容C7另一端接地；所述第五阻抗调谐线TL5另一端连接峰值功放相位补偿线5输入端。
结合图1、图4、图5和图6，本发明所述的峰值功率放大模块4包括一次串接而成的第二输入匹配电路4-1、峰值功率放大器4-2和第二输出匹配电路4-3。峰值功率放大器4-2工作在C类偏置下，晶体管选用CGH40010F，其漏级和载波功率放大器3-2的漏级偏置一样，采用28V的直流电源供电，通过负载牵引确定峰值功率放大器4-2的最优基波阻抗解空间和二次谐波阻抗解空间，其第二输出匹配电路4-3采用准椭圆滤波结构，如图4所示，其中TL2、TL3、TL4、C6和C7构成准椭圆滤波结构，准椭圆滤波结构是具有二次谐波抑制的滤波结构，其中TL3、TL2和TL4是由电感转换微带线而来的，如图5所示的结果是没有添加阻抗调谐线TL1之前的图，可以看到二次谐波得到了很好的抑制，通过添加阻抗调谐线TL1，并且修改参考阻抗为50欧姆，调整TL1的长度使得峰值功率放大模块4的输出基波阻抗和二次谐波阻抗落在负载牵引得到的阻抗解空间内，如图6所示，峰值功放的输出匹配阻抗解空间落在阻抗解空间内，靠近圆图边缘，以此来达到提高效率的目的。
在具体的实施例中，所述后匹配电路6包括第六阻抗调谐线TL6、第六电感L6、第七电感L7、第八电感L8、第九电容C9、第十电容C10、第二电阻R2；所述第六阻抗调谐线TL6一端连接第一输出匹配电路3-3和峰值功放相位补偿线5的输出端；所述第六阻抗调谐线TL6的另一端同时连接第六电感L6和第八电感L8；所述第六电感L6的另一端分别连接第七电感L7和第十电容C10；所述第十电容C10另一端接地；所述第七电感L7另一端同时连接第八电感L8另一端、第九电容C9和第二电阻R2；所述第九电容C9另一端接地；所述第二电阻R2另一端接地。
结合图7、图8、图9，,本发明所述的后匹配电路6如图7所示，由L6、L7、L8、C9、C10和一段阻抗调谐线构成，其中L6、L7、C9和C10是完成基波阻抗的匹配，添加电感L8来提供一个传输零点，并且通过调整电感L8的值来调节传输零点的位置，最后为了实现后匹配电路6的二次谐波阻抗解空间通过一段阻抗调谐线将二次谐波阻抗解和基波解调整到阻抗解空间内，结果如图8所示。
在本实施例中，本发明得到的一种新型后匹配结构Doherty功率放大器的工作中心频点为560MHz，工作频段470MHz-650MHz，相对带宽为32.14％。图9为本发明输出功率和漏级效率的关系图，从图9中可以看出，在工作频带470MHZ-650MHZ内，饱和点漏级效率在54％-72％，6dB功率回退处漏级效率在44％-55％，表明本发明所设计Doherty功率放大器在宽带和比较传统的Doherty功率放大器回退范围下实现了良好的效率。
最后，本发明所述一种新型后匹配结构Doherty功率放大器的工作原理为：
当输入信号较小时，整个Doherty功率放大器处于小功率状态，峰值功率放大器4-2处于C类偏置，即峰值晶体管没有打开，其等效阻抗为无穷大，只有载波功率放大器3-2开始工作，并将达到第一个工作效率的峰值点；随着输入信号的不断增大，Doherty功率放大器进入中等功率放大器状态，峰值功率放大器4-2的等效输出阻抗由无穷大不断减小，逐渐走向开启状态；当载波功率放大器3-2和峰值功率放大器4-2的输出电流相等时，Doherty功率放大器处于大功率状态，两个支路功率放大器一起进行工作，此时整个电路达到第二个效率峰值点；
本发明通过从二次谐波抑制网络着手，对载波功率放大器3-2没有进行二次谐波抑制，而是让其只满足双阻抗匹配条件和阻抗逆变条件，将载波功率放大器3-2的二次谐波抑制网络放在后匹配电路6中去实现，为了防止峰值功放的二次谐波电流流入组合点，峰值功放的二次谐波必须做到严格抑制，因此在峰值功率放大器4-2的第二输出匹配电路4-3中采用了准椭圆滤波原型匹配方法来抑制二次谐波，该发明的后匹配电路6设计了一个简单的二次谐波抑制电路结构，通过在两节低通滤波器的基础上添加了一段阻抗调谐线和一个调整二次谐波传输零点的电感；
通过以上说明，本发明针对传统Doherty功率放大器的宽带限制因素，对470MHZ-650MHZ频段设计了一款新型后匹配结构Doherty宽带功率放大器。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (2)
1.一种新型后匹配结构Doherty功率放大器，其特征在于，包括：
功分器（1）、载波功放相位补偿线（2）、载波功率放大模块（3）、峰值功率放大模块（4）、峰值功放相位补偿线（5）和后匹配电路（6）；所述功分器（1）的输出端分别连接载波功放相位补偿线（2）和峰值功率放大模块（4）的输入端；所述载波功放相位补偿线（2）输出端连接载波功率放大模块（3）的输入端；所述峰值功率放大模块（4）的输出端连接峰值功放相位补偿线（5）的输入端；所述载波功率放大模块（3）的输出端和峰值功放相位补偿线（5）的输出端连接后匹配电路（6）的输入端；所述载波功率放大模块（3）包括依次串联的第一输入匹配电路（3-1）、载波功率放大器（3-2）和第一输出匹配电路（3-3）；所述峰值功率放大模块（4）包括依次串联的第二输入匹配电路（4-1）、峰值功率放大器（4-2）和第二输出匹配电路（4-3）；
所述第二输出匹配电路（4-3）包括第一阻抗调谐线TL1、第二阻抗调谐线TL2、第三阻抗调谐线TL3、第四阻抗调谐线TL4、第五阻抗调谐线TL5、第五电感L5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8；所述峰值功率放大器（4-2）的输出端连接第一阻抗调谐线TL1；所述第一阻抗调谐线TL1的另一端同时连接第五电感L5和第二阻抗调谐线TL2；所述第五电感L5的另一端连接第八电容C8；所述第八电容C8的另一端接地；所述第二阻抗调谐线TL2的另一端同时连接第三阻抗调谐线TL3和第四阻抗调谐线TL4；所述第三阻抗调谐线TL3的另一端连接第六电容C6；所述第六电容C6的另一端接地；所述第四阻抗调谐线TL4的另一端同时连接第五阻抗调谐线TL5和第七电容C7；所述第七电容C7另一端接地；所述第五阻抗调谐线TL5另一端连接峰值功放相位补偿线（5）输入端；
所述后匹配电路（6）包括第六阻抗调谐线TL6、第六电感L6、第七电感L7、第八电感L8、第九电容C9、第十电容C10、第二电阻R2；所述第六阻抗调谐线TL6一端连接第一输出匹配电路（3-3）和峰值功放相位补偿线（5）的输出端；所述第六阻抗调谐线TL6的另一端同时连接第六电感L6和第八电感L8；所述第六电感L6的另一端分别连接第七电感L7和第十电容C10；所述第十电容C10另一端接地；所述第七电感L7另一端同时连接第八电感L8另一端、第九电容C9和第二电阻R2；所述第九电容C9另一端接地；所述第二电阻R2另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种新型后匹配结构Doherty功率放大器，其特征在于，包括：
所述功分器（1）包括第一电感L1、第一电容C1、第二电感L2、第二电容C2、第三电感L3、第三电容C3、第四电感L4、第四电容C4、第一电阻R1、第五电容C5；输入信号端同时连接第一电感L1和第三电感L3的一端；所述第一电感L1的另一端同时连接第一电容C1和第二电感L2；所述第一电容C1的另一端接地；所述第二电感L2的另一端连接第二电容C2和第一电阻R1，同时连接载波功放相位补偿线（2）的输入端；所述第二电容C2的另一端接地；所述第一电阻R1的另一端连接第五电容C5；所述第三电感L3的另一端分别连接第四电感L4和第三电容C3；所述第三电容C3另一端接地；所述第四电感L4的另一端分别连接第四电容C4、第五电容C5的另一端和第二输入匹配电路（4-1）的输入端；所述第四电容C4的另一端接地。
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