CN112968672B - 一种对称Doherty功放结构及射频收发机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对称Doherty功放结构及射频收发机，其中Doherty功放结构包括宽带功分器、主功放支路、辅功放支路及后匹配网络；输入信号与宽带功分器的一端连接，所述宽带功分器的另一端分别与主功放支路及辅功放支路的输入端连接，所述主功放支路及辅功放支路的输出端分别与双频后匹配网络连接，双频后匹配网络连接输出负载。本发明相比传统的双频Doherty功放，在每个频段下能够在更大的回退范围保持高效率，且具有结构简洁，设计简单，利于小型化的特点。

Description

一种对称Doherty功放结构及射频收发机
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种对称Doherty功放结构及射频收发机。
背景技术
随着通信技术的发展，通信频段越来越多，每个通信频段的带宽越来越宽，通信调制信号采用峰均比越来越高。作为通信系统中能耗占比最大和非线性因素来源最大的功放，如何在更高的峰均比，更宽的带宽依然保持着高效率和高线性，是业界探究的难题。
Doherty功放是目前业界最广泛采用的功放结构，因为该结构在回退区也能保持高效率，回退点的线性好于峰值功率处，是效率和线性能保持较好折中的一种形式，但是现有的双频Doherty功放方案较少。
一般有两种方法，第一种是输出匹配网络加双频相移线加双频阻抗变换器，双频相移和双频阻抗变换器通常用T型或pi型实现，这种设计方案存在结构笨重，设计复杂的缺点。第二种是宽带输出匹配网络加相位控制的原理，这种方法通常需要做覆盖两个频率范围的宽带功放匹配，具有设计复杂，不适合用于频率比范围大的缺点。且上述两种方案只能在6dB回退范围内保持高效率，难以满足日益增加的通信信号峰均比要求，5G通信信号峰均比为7.5dB。
因此，为了满足5G通信通信频段增加，通信信号峰均比增加的问题，需要一种双频在大回退范围依然保持高效率的Doherty功放解决方案。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种双频增加回退范围的对称Doherty功放结构。
本发明的次要目的是提供一种射频收发机。
本发明是基于一个并联枝节加一段传输线组成的主辅功放输出匹配网络，和双频呈现不同阻抗的后匹配网络，使主辅功放在两个频率下实现特定的相位配合，实现双频增加回退范围的效果。
本发明首要目的是采用如下技术方案：
一种对称Doherty功放结构，包括输入端口、宽带功分器、主功放支路、辅功放支路及后匹配网络；
输入端口与宽带功分器的一端连接，所述宽带功分器的另一端分别与主功放支路及辅功放支路的输入端连接，所述主功放支路及辅功放支路的输出端分别与后匹配网络连接，后匹配网络连接输出负载；
所述主功放支路包括依次连接的相位补偿网络、主功放双频输入匹配网络、主功放晶体管及主功放输出匹配网络；
所述辅功放支路包括依次连接的辅功放双频输入匹配网络、辅功放晶体管及辅功放输出匹配网络。
所述主功放输出匹配网络为依次连接的一个并联枝节和一段传输线，主功放输出匹配网络的并联枝节的电纳在两个频率下分别为：
B(f1)＝(cos(180°/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°)-ω1*Cout,
B(f2)＝(cos(180°*k/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°)-ω2*Cout，
公式中k为两个频率的比值，即
Figure BDA0002926477620000021
f2为两个频率中较高的频率，Ropt为所用晶体管的最优负载，Cout为晶体管漏极电容，一段传输线特征阻抗为Ropt*sin75°/sin(180°/(1+k))，电长度在
Figure BDA0002926477620000022
为90度。
所述辅功放输出匹配网络为依次连接的一个并联枝节和一段传输线，辅功放输出匹配网络的并联枝节的电纳在两个频率下的值为：
B(f1)＝(cos(180°/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°)-ω1*Cout,
B(f2)＝(cos(180°*k/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°)-ω2*Cout，
公式中k为两个频率的比值，Ropt为所用晶体管的最优负载，Cout为晶体管漏极电容，传输线的特征阻抗值为Ropt*sin125°/sin(180°/(1+k))，电长度在
Figure BDA0002926477620000023
为90度。
所述后匹配网络在两个频率下分别完成将如下阻抗到输出负载(通常是50欧姆)的匹配，所述阻抗在两个频率下分别为：
Figure BDA0002926477620000024
Figure BDA0002926477620000025
其中Gopt为晶体管最佳导纳；
其中：
B1＝(cos(180°/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°),
B2＝(cos(180°*k/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°)，
B3＝(cos(180°/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°)，
B4＝(cos(180°*k/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°)。
所述主功放晶体管的栅极与主功放的双频输入匹配网络连接，其漏极与主功放输出匹配网络连接，源极接地。
所述辅功放晶体管的栅极与辅功放双频输入匹配网络连接，其漏极与辅功放输出匹配网络连接，源极接地。
本发明的次要目的是采用如下技术方案：
一种射频收发机，包括任一项所述的对称Doherty功放结构。
本发明的有益效果：
本发明结构实现了主辅功放双频75°，125°的相角组合，而不是通常的90°和180°的主辅功放相角组合，因此相比传统的双频Doherty结构具有增加回退范围的优点。
本发明是直接从电流源面构造双频相移线，并将主辅功放双频移相线的右边一路枝节合并到了后匹配网络中，比起其他非直接的方法，比如双频匹配网络加双频移相线加双频四分之一波长线，宽带匹配加双频相位控制等，本发明结构具有更加简洁，利于小型化的特点，本发明设计方法更加简单。
附图说明
图1是本发明一种双频增加回退范围的对称Doherty功放的结构示意图；
图2(a)及图2(b)是本发明示例双频对称Doherty功放在回退时电流源面呈现的阻抗值图；
图3(a)及图3(b)是本发明示例双频对称Doherty功放的效率与输出功率之间的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
图1所示，一种双频增加回退范围的对称Doherty功放结构，其中该双频对称Doherty功放结构的两个工作频率分别为f1及f2,是指包括输入信号、宽带功分器、主功放支路、辅功放支路及后匹配网络；
输入信号与宽带功分器的输入端连接，所述宽带功分器的输出端分别与主功放支路及辅功放支路的输入端连接，所述主功放支路及辅功放支路的输出端分别与后匹配网络连接，后匹配网络连接输出负载；
所述主功放支路包括依次连接的相位补偿网络、主功放双频输入匹配网络、主功放晶体管及主功放输出匹配网络。
所述辅功放支路包括依次连接的辅功放双频输入匹配网络、辅功放晶体管及辅功放输出匹配网络。
所述主功放输出匹配网络为依次连接的一个并联枝节和一段传输线，主功放输出匹配网络的并联枝节的电纳在两个频率下分别为：
B(f1)＝(cos(180°/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°)-ω1*Cout,
B(f2)＝(cos(180°*k/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°)-ω2*Cout，
公式中k为两个频率的比值，即
Figure BDA0002926477620000041
f2为两个频率中较高的频率，Ropt为所用晶体管的最优负载，Cout为晶体管漏极电容，一段传输线特征阻抗为Ropt*sin75°/sin(180°/(1+k))，电长度在
Figure BDA0002926477620000042
为90度。
所述辅功放输出匹配网络为依次连接的一个并联枝节和一段传输线，辅功放输出匹配网络的并联枝节的电纳在两个频率下的值为：
B(f1)＝(cos(180°/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°)-ω1*Cout,
B(f2)＝(cos(180°*k/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°)-ω2*Cout，
公式中k为两个频率的比值，Ropt为所用晶体管的最优负载，Cout为晶体管漏极电容，传输线的特征阻抗值为Ropt*sin125°/sin(180°/(1+k))，电长度在
Figure BDA0002926477620000043
为90度。
所述双频后匹配网络在两个频率下分别完成将如下阻抗到输出负载(通常是50欧姆)的匹配，所述阻抗在两个频率下分别为：
Figure BDA0002926477620000044
Figure BDA0002926477620000045
其中Gopt为晶体管最佳导纳；
其中：
B1＝(cos(180°/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°),
B2＝(cos(180°*k/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°)，
B3＝(cos(180°/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°)，
B4＝(cos(180°*k/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°)。
本实施例中双频输入匹配网络及相位补偿网络采用任意可实现双频匹配和双频相移的电路实现形式，主功放晶体管及辅功放晶体管均为场效应管，实际应用中主功放晶体管和辅功放晶体管可以是任意类型的晶体管。
下面给出一个工作在0.9/2.14GHz的双频增加回退范围的对称Doherty功放设计实例。该实例中所选晶体管为cree公司的cgh40010F，主功放晶体管栅极偏压为-3V，漏极偏压为28V，辅功放晶体管的栅极偏压为-6V，漏极偏压为28V，该晶体管最佳负载Ropt＝32欧，漏极电容为1.6pF，根据这些参数算出主功放输出网络结构值，辅功放输出网络结构值，双频后匹配网络在两个频率下呈现的不同阻抗值。图2(a)及图2(b)为两个工作频率下，该Doherty功放的主功放在回退时电流源面看到的阻抗值，图2(a)表示电流源面回退时看到的阻抗大小是峰值最优阻抗的3.208倍。可以看到在这两个频率，两个频率分别为900MHz和2140MHz，主功放在回退时电流源面呈现的阻抗值为3.2Ropt，Ropt为峰值输入功率下的最优阻抗，大于传统的2Ropt，对称Doherty回退范围公式为10lgn+3，n为回退时电流源面呈现的阻抗与峰值输入功率下的最优阻抗比值，根据公式该Doherty功放在两个频率下回退范围增加到了8dB，比传统的对称Doherty功放增加了2dB的回退范围。图3(a)及图3(b)为所设计的功放在两个频率下功率附加效率与输出功率间的关系曲线图，可以看到设计的Doherty功放在两个工作频率下峰值功率大于44dBm，在8dB回退处功率附加效率都大于50％，展现了该方法的优越性。
综上所述，本发明提供的一种基于一个并联枝节和一段传输线组成的双频输出匹配网络和双频加载不同阻抗的后匹配网络使设计的Doherty功放能够在双频实现增加回退范围的效果，且具有结构简洁，设计简单，小型化的优点。
实施例2
一种射频收发机，包括上述方式描述的双频增加回退范围的对称Doherty功放结构。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种对称Doherty功放结构，其特征在于，包括宽带功分器、主功放支路、辅功放支路及后匹配网络；
输入信号与宽带功分器的一端连接，所述宽带功分器的另一端分别与主功放支路及辅功放支路的输入端连接，所述主功放支路及辅功放支路的输出端分别与双频后匹配网络连接，双频后匹配网络连接输出负载；
所述主功放支路包括依次连接的相位补偿网络、主功放双频输入匹配网络、主功放晶体管及主功放输出匹配网络；
所述辅功放支路包括依次连接的辅功放双频输入匹配网络、辅功放晶体管及辅功放输出匹配网络；
主功放输出匹配网络的并联枝节的电纳在两个频率下分别为：
B(f1)=(cos(180°/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°)-ω1*Cout,
B(f2)=(cos(180°*k/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°)-ω2*Cout，
公式中：k为两个频率f1、f2的比值，即k=f2/f1,f1为两个频率中较低的频率，f2为两个频率中较高的频率，Ropt为所用晶体管的最优负载，Cout为晶体管漏极电容，一段传输线特征阻抗为Ropt*sin75°/sin(180°/(1+k))，电长度在
Figure DEST_PATH_IMAGE001
为90度；
辅功放输出匹配网络的并联枝节的电纳在两个频率下的值为：
B(f1)=(cos(180°/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°)-ω1*Cout,
B(f2)=(cos(180°*k/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°) -ω2*Cout，
公式中：k为两个频率f1、f2的比值,k=f2/f1，Ropt为所用晶体管的最优负载，Cout为晶体管漏极电容，传输线的特征阻抗值为Ropt*sin125°/sin(180°/(1+k))，电长度在
Figure 821331DEST_PATH_IMAGE002
为90度；
双频后匹配网络在两个频率下分别完成将如下阻抗到输出负载的匹配，所述阻抗在两个频率下分别为：
Figure 348259DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其中Gopt为晶体管最佳导纳；
其中：
B1=(cos(180°/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°),
B2=(cos(180°*k/(1+k))-cos75°)/(Ropt*sin75°)，
B3=(cos(180°/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°)，
B4=(cos(180°*k/(1+k))-cos125°)/(Ropt*sin125°)；
所述主功放输出匹配网络包括一个并联枝节和一段传输线；
所述辅功放输出匹配网络包括一个并联枝节和一段传输线。
2.根据权利要求1所述的对称Doherty功放结构，其特征在于，所述主功放晶体管的栅极与主功放双频输入匹配网络连接，其漏极与主功放输出匹配网络连接，源极接地。
3.根据权利要求1所述的对称Doherty功放结构，其特征在于，所述辅功放晶体管的栅极与辅功放双频输入匹配网络连接，其漏极与辅功放输出匹配网络连接，源极接地。
4.一种射频收发机，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的对称Doherty功放结构。
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