CN113746434A - 一种基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器 - Google Patents

一种基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器，包括宽带功分器、载波功率放大模块、峰值功率放大模块、负载调制网络。载波功率放大模块包括载波输入匹配/偏置网络、载波功率放大器、载波输出匹配/偏置网络和载波功放阻抗变换线；峰值功率放大模块包括峰值功放相位补偿线、峰值输入匹配/偏置网络、峰值功率放大器和峰值输出匹配/偏置网络；负载调制网络包括π形阻抗变换器和L形枝节线组成的双频带阻抗变换器。本发明利用负载调制网络来保证Doherty功率放大器漏极效率和回退效率的同时扩展带宽，同时结构紧凑，有利于小型化设计。

Description

一种基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器
技术领域
本发明属于微波射频通信领域，涉及射频功率放大器，具体涉及一种基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器。
背景技术
随着无线通信技术的发展，对数据流量的需求不断增加，通信标准越来越多，频带的占用也越来越多，作为射频前端的重要组成部分，功率放大器的效率和带宽成为研究热点，尤其是5G时代的到来，对功率放大器的回退效率提出了更高的要求，而传统的功率放大器在大功率回退时的效率很低，为了保持射频功率放大器在回退功率下的效率，Doherty拓扑结构被广泛应用到射频功率放大中。但传统的Doherty结构存在很明显的窄带工作特性，使其应用场景受到限制。如图1所示，传统Doherty结构中，1/4波长线会随着频率偏离中心频率而产生频散现象，使输出阻抗和负载不完全匹配。
针对目前技术中存在的缺陷，实在有必要进行研究，以提供一种采用负载调制网络来代替1/4波长线，并以此负载调制网络为基础来提出一种在保证回退效率情况下的宽带Doherty功率放大器，并且使其能工作在5G频段的解决方案。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器，采用宽带功分器，多级微带线串联减小品质因素，π形阻抗变换器和L形枝节线组成的双频带阻抗变换器来共同作用在保证Doherty功率放大器的饱和效率和回退效率的前提下提高了功率放大器的带宽。
为了解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案如下：
一种基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器，包括宽带功分器、载波功率放大模块、峰值功率放大模块、负载调制网络；其中，
所述宽带功分器的输入端与射频信号输入端连接，其输出端与载波功率放大模块和峰值功率放大模块输入端连接；
所述载波功率放大模块包括载波输入匹配/偏置网络、载波功率放大器、载波输出匹配/偏置网络和载波功放阻抗变换线；
所述峰值功率放大模块包括峰值功放相位补偿线、峰值输入匹配/偏置网络、峰值功率放大器和峰值输出匹配/偏置网络；
所述负载调制网络包括π形阻抗变换器和L形枝节线组成的双频带阻抗变换器，通过双频带阻抗变换器来抑制频散效应以提高带宽；
负载调制网络的π形阻抗变换器由串联微带线TL3，并联微带线TL4、TL5构成，所述并联微带线TL4和TL5一端分别连接串联微带线TL3的两端，其另一端连接L形枝节线；L形枝节线由终端开路枝节线TL6、TL7和终端短路枝节线TL8、TL9并联构成，π形阻抗变换器A参量矩阵为：
Figure BDA0003179349490000021
其中，θi为π形阻抗变换器中串联微带线TL3在不同频率时对应的电长度；Bi为π形阻抗变换器中两条并联微带线TL4、TL5在不同频率时对应的电纳值；Z为π形阻抗变换器中TL3的特征阻抗，若要代替1/4波长阻抗变换线，则在f1频点需满足：
Figure BDA0003179349490000031
其中，Z0为微带线TL4～TL9的特征阻抗，θ为π形阻抗变换器中串联微带线TL3在中心频率时对应的电长度，θ1为微带线TL4、TL5的电长度，f1和f2为π形阻抗变换器中选取的低频点和高频点。
作为进一步的改进方案，宽带功分器采用三级威尔金森功分器，其带宽为3～5GHz；公分比为1：1。
作为进一步的改进方案，所述宽带功分器由微带线TL1、TL2，弧形微带线Curve1～Curve6,微带渐变节Tee1～Tee11组成，其中，微带渐变节Tee1一端作为端口1，另两端与微带线TL1、TL2的一端连接，微带渐变节Tee10、Tee11一段作为端口2和端口3，其中一端与弧形微带线Curve5、Curve6一端连接，微带线TL1、弧线微带线Curve1、渐变节Tee2、Tee4、弧形微带线Curve3、渐变节Tee6、Tee8、弧形微带线Curve5、渐变节Tee10依次串联组成宽带功分器的一侧，微带线TL2、弧线微带线Curve2、渐变节Tee3、Tee5、弧线微带线Curve4、渐变节Tee7、Tee9、弧线微带线Curve6、渐变节Tee11依次串联组成宽带功分器的另一侧，微带渐变节Tee2、Tee3，Tee6、Tee7和Tee10、Tee11中间串联电阻以平衡电流。
作为优选的技术方案，所述输入与输出匹配网络采用四条微带线串联的方式降低节点的品质因数来提高带宽。
作为优选的技术方案，所述载波输入匹配/偏置电路、和峰值输入匹配/偏置电路相同，载波输出匹配至2Ropt,峰值输出匹配至Ropt。
其中，Ropt为载波放大器和峰值放大器工作于B类模式下的最佳负载电阻值。
作为优选的技术方案，所述载波功放阻抗变换线与峰值功放相位补偿线相同，都为特征阻抗为50Ω的1/4波长线(中心频率时)。
作为优选的技术方案，所述负载调制网路中的L形枝节线由终端开路枝节线TL6、TL7和终端短路枝节线TL8、TL9并联构成，在不影响π形阻抗变换器在f1频点的响应情况下来实现f2频点的电路响应。
与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：
1、本发明用负载调制网络代替传统Doherty功率放大器中的1/4波长线来处理频率偏离时的频散现象引起的阻抗不匹配，并采用宽带功分器、串联多级微带线的方式在保证功率放大器饱和效率和回退效率的同时进一步提高带宽。
2、本发明应用更加广泛，由于提高了带宽，覆盖了更多的频段，同时将中心频率也进一步提高，可以很好应用于第五代移动通信系统中。
附图说明
图1是传统Doherty功率放大器结构示意图。
图2是本发明的新型调制负载网络Doherty功率放大器结构示意图。
图3是本发明宽带功分器结构示意图。
图4是本发明宽带功分器小信号仿真结果。
图5是本发明负载调制网络结构示意图。
图6是本发明负载调制网络输出阻抗牵引仿真结果图。
图7是本发明提供的新型负载调制网络的Doherty功率放大器的大信号特性仿真结果示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
参见图2所示为实施例的新型负载调制网络宽带Doherty功率放大器的原理框图，包括宽带功分器、载波功率放大模块、峰值功率放大模块、负载调制网络。与图1所示传统Doherty结构相比，将1/4波长阻抗变换线替换为负载调制网络。载波功率放大模块包括载波输入匹配/偏置网络、载波功率放大器、载波输出匹配/偏置网络和载波功放阻抗变换线；峰值功率放大模块包括峰值功放相位补偿线、峰值输入匹配/偏置网络、峰值功率放大器和峰值输出匹配/偏置网络；负载调制网络包括π形阻抗变换器和L形枝节线组成的双频带阻抗变换器。负载调制网络来保证Doherty功率放大器漏极效率和回退效率的同时扩展带宽，功分器采用三级威尔金森功分器保证带宽，输入输出匹配网络采用四条微带线串联的方式实现阻抗变换。载波功放输出端因为有阻抗变换线，为了保证载波功放和峰值功放输出相位相同，在峰值功放的输入端加上相位补偿线。
在本实施例中，输入与输出匹配网络采用四条微带线串联的方式降低节点的品质因数来提高带宽。所述载波输入匹配/偏置电路、和峰值输入匹配/偏置电路相同，偏置电路采用该领域常规技术方法实现；载波输出匹配至2Ropt,峰值输出匹配至Ropt。所述载波功放阻抗变换线与峰值功放相位补偿线相同，都为特征阻抗为50Ω的1/4波长线(中心频率时)。
其中，Ropt为载波放大器和峰值放大器工作于B类模式下的最佳负载电阻值。
参见图3和图4为本实施例宽带功分器的原理框图和仿真结果，宽带功分器由微带线TL1、TL2，弧形微带线Curve1～Curve6,微带渐变节Tee1～Tee11组成，其中，P1端口为射频信号输入端，P2端口为载波功率放大器输入端，P3端口为峰值功率放大器输入端。微带渐变节Tee1一端作为端口1，另两端与微带线TL1、TL2的一端连接，微带渐变节Tee10、Tee11一段作为端口2和端口3，其中一端与弧形微带线Curve5、Curve6一端连接，微带线TL1、弧线微带线Curve1、渐变节Tee2、Tee4、弧形微带线Curve3、渐变节Tee6、Tee8、弧形微带线Curve5、渐变节Tee10依次串联组成宽带功分器的一侧，微带线TL2、弧线微带线Curve2、渐变节Tee3、Tee5、弧线微带线Curve4、渐变节Tee7、Tee9、弧线微带线Curve6、渐变节Tee11依次串联组成宽带功分器的另一侧，微带渐变节Tee2、Tee3，Tee6、Tee7和Tee10、Tee11中间串联电阻以平衡电流，由于组成了三级威尔金森功分器，扩展了带宽，为3～5GHz；公分比为1：1。
参见图5为本实施例负载调制网络的结构示意图，包括π形阻抗变换器和L形枝节线组成的对称双频带阻抗变换器。π形阻抗变换器由串联微带线TL3，并联微带线TL4、TL5构成，TL4、TL5一端分别连接串联微带线TL3的两端，另一端连接L形枝节线，而L形枝节线由终端开路枝节线TL6、TL7和终端短路枝节线TL8、TL9并联构成，其中，π形阻抗变换器的A参量矩阵为：
Figure BDA0003179349490000071
其中，θi为π形阻抗变换器中TL3在不同频率时对应的电长度；Bi为π形阻抗变换器中TL4、TL5在不同频率时对应的电纳值；Z为π形阻抗变换器中TL3的特征阻抗，若要代替1/4波长阻抗变换线，则在f1频点需满足：
Figure BDA0003179349490000072
其中，Z0为微带线TL4～TL9的特征阻抗，θ为π形阻抗变换器中串联微带线TL3在中心频率时对应的电长度，θ1为微带线TL4、TL5的电长度，f1和f2为π形阻抗变换器中选取的低频点和高频点。
本实施例中选取Z0＝50Ω，f1为3.2GHz,f2为4.8GHz。则θ＝75°，Z＝51.8Ω。其他微带线的特征阻抗都为Z0。
本实施例中的L形枝节线TL6、TL8和TL7、TL9在不影响π形阻抗变换器在f1频点的响应情况下来实现f2频点的电路响应。
参见图6为本实施例负载调制网络输出阻抗牵引仿真结果图，在频段内负载调制网络输出阻抗基本都约为Z0，满足阻抗匹配条件。较好地实现了对1/4波长阻抗变换线的替换。
参见图7为本实施例新型负载调制网络的Doherty功率放大器的大信号特性仿真结果示意图，由于负载调制网络在一定程度上解决频散效应的同时较好地实现了阻抗变换的功能，因此在保证饱和效率和回退效率的同时扩展了一定的带宽，中心频点为4GHz,在工作频段3.4GHz-4.5GHz内饱和输出功率约为42dBm,饱和漏极效率为55％-70％，6dB回退效率为50-55％。
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 (7)

1.一种基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，包括宽带功分器、载波功率放大模块、峰值功率放大模块、负载调制网络；其中，
所述宽带功分器的输入端与射频信号输入端连接，其输出端与载波功率放大模块和峰值功率放大模块输入端连接；
所述载波功率放大模块包括载波输入匹配/偏置网络、载波功率放大器、载波输出匹配/偏置网络和载波功放阻抗变换线；
所述峰值功率放大模块包括峰值功放相位补偿线、峰值输入匹配/偏置网络、峰值功率放大器和峰值输出匹配/偏置网络；
所述负载调制网络包括π形阻抗变换器和L形枝节线组成的双频带阻抗变换器，通过双频带阻抗变换器来抑制频散效应以提高带宽；
负载调制网络的π形阻抗变换器由串联微带线TL3，并联微带线TL4、TL5构成，所述并联微带线TL4和TL5一端分别连接串联微带线TL3的两端，其另一端连接L形枝节线；L形枝节线由终端开路枝节线TL6、TL7和终端短路枝节线TL8、TL9并联构成，π形阻抗变换器A参量矩阵为：
Figure FDA0003179349480000011
其中，θi为π形阻抗变换器中串联微带线TL3在不同频率时对应的电长度；Bi为π形阻抗变换器中两条并联微带线TL4、TL5在不同频率时对应的电纳值；Z为π形阻抗变换器中TL3的特征阻抗，若要代替1/4波长阻抗变换线，则在f1频点需满足：
Figure FDA0003179349480000021
其中，Z0为微带线TL4～TL9的特征阻抗，θ为π形阻抗变换器中串联微带线TL3在中心频率时对应的电长度，θ1为微带线TL4、TL5的电长度，f1和f2为π形阻抗变换器中选取的低频点和高频点。
2.根据权利要求1所述的基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，在不影响π形阻抗变换器在f1频点的响应情况下来实现f2频点的电路响应。
3.根据权利要求1或2所述的基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，宽带功分器采用三级威尔金森功分器，其带宽为3～5GHz；公分比为1：1。
4.根据权利要求3所述的基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，宽带功分器由微带线TL1和TL2、弧形微带线Curve1、Curve2、Curve3、Curve4、Curve5和Curve6以及微带渐变节Tee1、Tee2、Tee3、Tee4、Tee5、Tee6、Tee7、Tee8、Tee9、Tee10和Tee11组成。
5.根据权利要求1所述的基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，输入与输出匹配网络采用四条微带线串联的方式以降低节点的品质因数来提高带宽。
6.根据权利要求1所述的基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，载波输入匹配/偏置电路、和峰值输入匹配/偏置电路相同，载波输出匹配至2Ropt,峰值输出匹配至Ropt；
其中，Ropt为载波放大器和峰值放大器工作于B类模式下的最佳负载电阻值。
7.根据权利要求1所述的基于负载调制网络的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，载波功放阻抗变换线与峰值功放相位补偿线相同，中心频率时，都为特征阻抗为50Ω的1/4波长线。
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