CN115622507A - 一种高功率回退范围的Doherty功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率回退范围的Doherty功率放大器，涉及毫米波功率放大技术，针对现有技术中功率回退范围窄等问题提出本方案。将输入信号的功率平均分成三路分别进行放大，最后通过0°、‑90°及‑180°的相对相移耦合进第三90°耦合器后进行输出。其优点在于，通过选择性开启的三个放大器，使本Doherty功率放大器的功率回退范围从6dB增大到10dB，而且在10dB功率回退点的功率附加效率（PAE）是标准B类功率放大器的2倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波通信中的功率放大技术，尤其涉及一种高功率回退范围的Doherty功率放大器。
背景技术
毫米波频段（30GHz~300GHz）是近年来无线通信技术的重要发展领域。随着Sub6GHz频段变得日渐拥挤，拥有丰富带宽资源的毫米波频段成为人们关注的重点，其在高速率、低时延、大容量、低干扰等方面展现出无可比拟的巨大优势，未来发展空间极为广阔。由于毫米波的波长很短，因此毫米波通信系统可以更加方便地实现单片集成，其大部分电路模块都在半导体晶圆片上制作，而非放置在印制电路板（PCB）上。
在无线通信系统中，功率放大器处于关键地位，它直接决定了发射机的各项性能指标，其输出功率、效率和线性度对整个通信系统的性能产生决定性的影响。对于毫米波通信系统而言，功率放大器是系统设计的关键点和难点，主要表现在以下方面：第一，毫米波通信采用128QAM等复杂的高阶信号调制技术以提高信号吞吐量，其信号峰均比通常高达6~10dB，因此功率放大器需要工作在高度的功率回退状态下，效率显著降低，导致通信系统能耗高、散热差，因此需要采取措施提高其功率回退效率；第二，毫米波通信系统中的功率放大器需要实现单片集成，这要求功率放大器具有紧凑的电路版图布局。因此，设计高功率回退效率、面积紧凑的单片集成功率放大器尤为关键。
现有技术的缺陷和不足：
目前，提高功率放大器的功率回退效率的主要解决方案是使用Doherty功率放大器，其具有一路主放大器和一路辅放大器。然而，传统Doherty功率放大器存在以下缺陷：
第一，毫米波通信的高阶信号调制需求6~10dB的功率回退范围，然而传统Doherty功率放大器的功率回退范围只有6dB，难以满足实际需求。
第二，传统Doherty功率放大器的辅放大器需要添加较长的补偿线（其长度可达六分之一波长~四分之一波长）或者移相器，使电路面积显著增大，不利于实现单片集成。
发明内容
本发明目的在于提供一种高功率回退范围的Doherty功率放大器，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明中所述一种高功率回退范围的Doherty功率放大器，将输入信号的功率平均分成三路分别进行放大，最后通过特定的相对相移耦合进第三90°耦合器后进行输出；
其中第一路为主放大器路，放大后的信号相对输入信号存在-90°相移，输入至所述第三90°耦合器的耦合端；
第二路为第一辅放大器路，放大后的信号相对输入信号无相移，选通输入至所述第三90°耦合器的直通端，且关态下输出阻抗为高阻；
第三路为第二辅放大器路，放大后的信号相对输入信号存在-180°相移，选通输入至所述第三90°耦合器的隔离端，且关态下输出阻抗为低阻。
设置有第一90°耦合器及第二90°耦合器；
所述第一90°耦合器的输入端接入所述输入信号，耦合端连接所述第二90°耦合器，直通端连接所述第二辅放大器路的信号输入端；
所述第二90°耦合器的输入端连接所述第一90°耦合器，耦合端连接所述第一辅放大器路的信号输入端，直通端连接所述主放大器路的信号输入端。
所述第一90°耦合器的功率分配比为1:2；所述第二90°耦合器的功率分配比为1:1；所述第三90°耦合器的功率分配比为1:1。
所述主放大器路由第一放大器和第一输出匹配网络串联构成；所述第一辅放大器路由第二放大器和第二输出匹配网络串联构成；所述第二辅放大器路由第三放大器和第三输出匹配网络串联构成；
其中第一放大器、第二放大器和第三放大器结构相同，均为两级共源放大结构；所述第一放大器偏置在AB类、所述第二放大器偏置在浅C类、所述第三放大器偏置在深C类。
所述第三输出匹配网络结构为：
电容C1的下极板接地，上极板分别连接漏极直流偏置单元以及微带线TL1的一端，微带线TL1另一端作为信号输入端依次串联微带线TL2和微带线TL3后输出；电容C2上极板连接微带线TL2和微带线TL3的连接点，下极板接地。
所述第一输出匹配网络和第二输出匹配网络结构相同，结构分别如下：
电容C3的两极板分别作为输入端和输出端，输入端还依次串接微带线TL4和电容C4后接地；微带线TL4和电容C4的连接点外接漏极直流偏置单元。
本发明中所述一种高功率回退范围的Doherty功率放大器，其优点在于，通过选择性开启的三个放大器，使本Doherty功率放大器的功率回退范围从6dB增大到10dB，而且在10dB功率回退点的功率附加效率（PAE）是标准B类功率放大器的2倍以上。
另一方面第三输出匹配网络兼具阻抗变换和合适的移相功能，配合输入功率分配网络可以达到所需要的-180°相对相移，因此无需添加补偿线或移相器，使本Doherty功率放大器电路面积显著缩小，有利于实现单片集成。
附图说明
图1是本发明中所述Doherty功率放大器的结构示意图。
图2是本发明中所述Doherty功率放大器的电路原理图。
图3是本发明中所述放大器的结构示意图。
图4是本发明中所述漏极直流偏置单元的结构示意图。
图5是本发明中所述栅极直流偏置单元的结构示意图。
图6是本发明中所述第三输出匹配网络的结构示意图。
图7是本发明中所述第一及第二输出匹配网络的结构示意图。
图8是本发明中所述第一及第二90°耦合器各端口的相位关系示意图。
图9是本发明中所述第三输出匹配网络的相位仿真曲线图。
图10是本发明中第一放大器漏极处等效负载阻抗随输入功率变化的仿真曲线图。
图11本发明中所述Doherty功率放大器集成于芯片时，在35GHz的大信号增益和PAE实测曲线图。
具体实施方式
如图1至图7所示，本发明中所述一种高功率回退范围的Doherty功率放大器将输入信号的功率平均分成三路分别进行放大，最后通过特定的相对相移耦合进第三90°耦合器后进行输出。
其中第一路为主放大器路，放大后的信号相对输入信号存在-90°相移，输入至所述第三90°耦合器的耦合端。
第二路为第一辅放大器路，放大后的信号相对输入信号无相移，选通输入至所述第三90°耦合器的直通端，且关态下输出阻抗为高阻。
第三路为第二辅放大器路，放大后的信号相对输入信号存在-180°相移，选通输入至所述第三90°耦合器的隔离端，且关态下输出阻抗为低阻。
设置有第一90°耦合器及第二90°耦合器。
所述第一90°耦合器的输入端接入所述输入信号，耦合端连接所述第二90°耦合器，直通端连接所述第二辅放大器路的信号输入端。
所述第二90°耦合器的输入端连接所述第一90°耦合器，耦合端连接所述第一辅放大器路的信号输入端，直通端连接所述主放大器路的信号输入端。
所述第一90°耦合器可以选用分支线耦合器、定向耦合器、兰格耦合器中的一种，功率分配比为1:2，特征阻抗为50Ω。所述第二90°耦合器可以选用分支线耦合器、定向耦合器、兰格耦合器中的一种，其功率分配比为1:1，特征阻抗为50Ω。所述第三90°耦合器实现Doherty功率放大器的负载调制和三路功率合成，可以选用分支线耦合器、定向耦合器、兰格耦合器中的一种，其功率分配比为1:1，特征阻抗为3×Ropt，其中Ropt为偏置于AB类的功率级晶体管在饱和状态下的负载线电阻值。
所述主放大器路由第一放大器和第一输出匹配网络串联构成。所述第一辅放大器路由第二放大器和第二输出匹配网络串联构成。所述第二辅放大器路由第三放大器和第三输出匹配网络串联构成。
其中第一放大器、第二放大器和第三放大器结构相同，均为两级共源放大结构，M1是功率级晶体管，M2是驱动级晶体管。所述第一放大器偏置在AB类、所述第二放大器偏置在浅C类、所述第三放大器偏置在深C类。
所述第三输出匹配网络结构为：
电容C1的下极板接地，上极板分别连接漏极直流偏置单元以及微带线TL1的一端，微带线TL1另一端作为信号输入端依次串联微带线TL2和微带线TL3后输出。电容C2上极板连接微带线TL2和微带线TL3的连接点，下极板接地。
所述第一输出匹配网络和第二输出匹配网络结构相同，结构分别如下：
电容C3的两极板分别作为输入端和输出端，输入端还依次串接微带线TL4和电容C4后接地。微带线TL4和电容C4的连接点外接漏极直流偏置单元。
本实施例中的漏极直流偏置单元采用现有技术结构，直流漏极焊盘是VD，N是其序号。同理，栅极直流偏置单元也是采用了现有技术结构，直流栅极焊盘是VG，N是其序号。
本发明中所述一种高功率回退范围的Doherty功率放大器工作原理如下：
首先所述第一90°耦合器和第二90°耦合器各端口的相对相位关系如图8所示。任一信号从输入端输入时相位若为θ，则会在耦合端输出0相差的信号，而在直通端会输出θ-90°的信号。另外需要指出，在输入侧的90°耦合器输入端与隔离端无信号关系。但是相反地，分别在隔离端、直通端和耦合端输入一定相位差的信号，以输入端作为输出端使用时，隔离端输入的信号会全部从输出端输出，并调制直通端和耦合端的等效负载阻抗，这是90°耦合器S矩阵分析可以得到的结论，所以第三90°耦合器的输出端信号是三路信号的线性叠加。最后输出的相位情况已经不重要了，本发明构思需要的是让三路合成的信号在第三90°耦合器处满足合适的相对相位，从而实现正确的Doherty负载调制以及三路功率合成。
第一输出匹配网络和第二输出匹配网络结构相同，微带线TL4与电容C4组成馈电短路微带线，不仅用于提供直流馈电，而且用作并联电感谐振输出级晶体管的输出电容，使关态下的第二放大器的输出阻抗为高阻；电容C3为隔直电容。第三输出匹配网络是低通型匹配网络，其作用为：第一，把关态下的第三放大器的输出阻抗匹配到低阻；第二，把第三90°耦合器的特征阻抗匹配到Ropt；第三，提供-90°移相，使第三放大器输出后的信号相对相位达到-180°。因此第二辅放大器无需添加补偿线或移相器，使本Doherty功率放大器电路面积显著缩小，有利于实现单片集成。需要指出的是，若第三90°耦合器选用分支线耦合器，则第二辅放大器的输出匹配网络还需添加隔直电容，防止功率级晶体管的漏极直流偏置电流泄露到输出端。若第三90°耦合器选定向耦合器或兰格耦合器，则其端口1和端口4是通过电场耦合进行信号传递的，故第二辅放大器路的输出匹配网络无需添加隔直电容。
在低输入功率阶段，只有主放大器路工作，两个辅放大器路处于关断状态，第一辅放大器的输出匹配网络把输出级晶体管的关态输出阻抗转换为高阻态，第二辅放大器的输出匹配网络把输出级晶体管的关态输出阻抗转换为低阻态，主放大器路的等效负载阻抗为6×Ropt。
在中输入功率阶段，第一辅放大器路开启，并调制主放大器路的等效负载阻抗，使其从6×Ropt逐渐减小至3×Ropt。
在高输入功率阶段，第一辅放大器路及第二辅放大器路开启，并调制在主放大器路和第一辅放大器路的等效负载阻抗，使其从3×Ropt逐渐减小至Ropt。在峰值功率点，三路放大器的等效负载阻抗均为最优负载阻抗，输出最大功率，并通过第三90°耦合器进行三路功率合成。相比传统Doherty放大器，此Doherty放大器的功率回退效率显著提高，其功率回退范围高达10dB，其在10dB功率回退点的功率附加效率（PAE）是标准B类功率放大器的2倍以上。
为了验证本实施例方法的优越性，本实施还进行了仿真和实测实验，具体的仿真结果和实测结果如图9至图11所示，具体地：
图9展示了第二辅放大器路中低通滤波器的相位仿真结果，在中心频率35GHz处，该网络的相移是-90°。
图10是本具体实施方式中第一放大器功率级晶体管漏极处等效负载阻抗随输入功率变化的仿真结果。在低输入功率阶段，等效负载阻抗为72Ω，即6×Ropt；在中输入功率阶段第一辅放大器路开启，等效负载阻抗减小至36Ω，即3×Ropt；在高输入功率阶段第二辅放大器路开启，等效负载阻抗减小至最优输出阻抗12Ω，即Ropt。
图11为本发明中所述Doherty功率放大器集成在芯片上，在35GHz的大信号特性测试结果。该芯片在低功率区的功率增益为15dB；饱和功率为28.2dBm；饱和PAE为26.1％；功率回退范围达到10dB，且10dB功率回退点PAE高达16.3％，是理想B类功率放大器的2.1倍。测试结果与理论预测结果具有良好的一致性。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高功率回退范围的Doherty功率放大器，其特征在于，将输入信号的功率平均分成三路分别进行放大，最后通过特定的相对相移耦合进第三90°耦合器后进行输出；
其中第一路为主放大器路，放大后的信号相对输入信号存在-90°相移，输入至所述第三90°耦合器的耦合端；
第二路为第一辅放大器路，放大后的信号相对输入信号无相移，选通输入至所述第三90°耦合器的直通端，且关态下输出阻抗为高阻；
第三路为第二辅放大器路，放大后的信号相对输入信号存在-180°相移，选通输入至所述第三90°耦合器的隔离端，且关态下输出阻抗为低阻。
2.根据权利要求1所述一种高功率回退范围的Doherty功率放大器，其特征在于，设置有第一90°耦合器及第二90°耦合器；
所述第一90°耦合器的输入端接入所述输入信号，耦合端连接所述第二90°耦合器，直通端连接所述第二辅放大器路的信号输入端；
所述第二90°耦合器的输入端连接所述第一90°耦合器，耦合端连接所述第一辅放大器路的信号输入端，直通端连接所述主放大器路的信号输入端。
3.根据权利要求2所述一种高功率回退范围的Doherty功率放大器，其特征在于，所述第一90°耦合器的功率分配比为1:2；所述第二90°耦合器的功率分配比为1:1；所述第三90°耦合器的功率分配比为1:1。
4.根据权利要求2所述一种高功率回退范围的Doherty功率放大器，其特征在于，所述主放大器路由第一放大器和第一输出匹配网络串联构成；所述第一辅放大器路由第二放大器和第二输出匹配网络串联构成；所述第二辅放大器路由第三放大器和第三输出匹配网络串联构成；
其中第一放大器、第二放大器和第三放大器结构相同，均为两级共源放大结构；所述第一放大器偏置在AB类、所述第二放大器偏置在浅C类、所述第三放大器偏置在深C类。
5.根据权利要求4所述一种高功率回退范围的Doherty功率放大器，其特征在于，所述第三输出匹配网络结构为：
电容C1的下极板接地，上极板分别连接漏极直流偏置单元以及微带线TL1的一端，微带线TL1另一端作为信号输入端依次串联微带线TL2和微带线TL3后输出；电容C2上极板连接微带线TL2和微带线TL3的连接点，下极板接地。
6.根据权利要求4所述一种高功率回退范围的Doherty功率放大器，其特征在于，所述第一输出匹配网络和第二输出匹配网络结构相同，结构分别如下：
电容C3的两极板分别作为输入端和输出端，输入端还依次串接微带线TL4和电容C4后接地；微带线TL4和电容C4的连接点外接漏极直流偏置单元。
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