CN116743093A - 一种宽带Doherty功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带Doherty功率放大器，包括带90度相移的输入功分器、主功放电路、辅功放电路和输出匹配合路网络，所述主功放电路及辅功放电路均采用两级结构，包括输入匹配网络、推动级偏置网络、推动管、放大级偏置网络、级间匹配网络、放大管及输出匹配合路网络。本发明不仅能够在宽带范围内实现较高的饱和效率，同时在功率产生回退时同样保持较好的效率，且结构紧凑，适用于5G手机移动终端的发射前端芯片系统。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种宽带Doherty功率放大器。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，信号调制技术变得越来越复杂。为了实现高速率信息传输，需采用高峰均比的宽调制带宽信号，因此，设计同时在饱和功率点和功率回退范围内都保持高效率的射频功率放大器对无线移动通信至关重要。为实现这一要求，常采用Doherty功率放大器架构，但传统的Doherty功率放大器受制于阻抗调制网络中的四分之一波长传输线，导致带宽窄。
为解决阻抗调制网络对频率的依赖性，常采用的方式主要包括：引入并联枝节降低阻抗转换比、采用多传输线合路器拓展带宽、谐波调控技术、连续模式调控技术和实频宽带匹配技术等。但是，以上方法大多针对基站设备，并常采用微带线进行设计，结构复杂，尺寸较大，难以集成，不适用于手机等移动终端设备。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种宽带Doherty功率放大器。本发明采用实际变压器等效转换方法，将理想元件转变为物理可实现元件，构建了适用于芯片实现的宽带负载调制和功率合成网络；同时，采用π型集总网络代替传统的多传输线合路网络，实现了阻抗转换和尺寸缩小，有利于集成于移动终端设备中。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种宽带Doherty功率放大器，包括带90度相移的输入功分器、主功放电路、辅功放电路和输出匹配合路网络，所述主功放电路及辅功放电路均采用两级结构，包括输入匹配网络、推动级偏置网络、推动管、放大级偏置网络、级间匹配网络、放大管及输出匹配合路网络。
进一步，所述输出匹配合路网络采用三个π型集总网络和一个可片上实现的变压器等效电路实现。
进一步，所述带有90度相移的输入功分器包括两个平行耦合的螺旋电感，每个螺旋电感的两端加载两个电容，隔离端连接电阻接地。
进一步，所述输入匹配网络包括一个电容串联一个接地电感的LC网络形式。
进一步，所述推动级偏置网络和放大级偏置网络均采用自适应偏置结构。
进一步，所述主功放电路的推动级偏置网络和放大级偏置网络偏置在AB类工作状态，辅功放电路的推动级偏置网络和放大级偏置网络偏置在C类工作状态。
进一步，所述级间匹配网络采用单端转差分的结构。
实现变压器等效过程如下：
引入耦合系数为1的理想变压器，由于实际变压器存在励磁电感和漏磁电感，因此引入一个并联电感和一个串联电感分别作为理想变压器的励磁电感和漏磁电感。同时为了保证电路的等效性，额外引入一个串联电容和一个并联电容作为匹配元件，最后引入一个串联接地电容用以调谐变压器次级线圈。
进一步，所述输出匹配合路网络包括第九电感、第十电感、第十一电感、第十二电感、第十三电感、第十四电感、第十五电感、第十六电感、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第十四电容、第十五电容、第十六电容和第十七电容；
所述第九电感、第十电感、第十一电容和第十三电容构成第一π型集总网络；所述第十一电感、第十二电感、第十二电和第十四电容构成第二π型集总网络；所述第十三电感、第十四电感、第十三电容和第十四电容构成第三π型集总网络；所述第十三电容和第十四电容是三个π型集总网络共用；所述第十五电感和第十六电感之间存在平行耦合效应，起到差分转单端和阻抗匹配的作用；所述第十五电容用以调谐第十六电感；所述第十六电容和第十七电容是通过变压器等效转换得到，分别用以抵消实际变压器的漏磁电感和励磁电感，实现宽带匹配。
进一步，所述推动管包括四个晶体管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明基于可片上实现的变压器等效方法，对理想元件进行等效转换，构建了物理可实现的电路元件，实现了对工作带宽的拓展；
(2)本发明基于平行耦合匹配方式，对输入功分器和级间匹配网络进行版图布局，实现了宽带内的匹配良好；
(3)本发明基于多传输线合路网络方法，采用三个π型集总网络进行替换，实现了对电路尺寸的缩小；
(4)本发明设计的Doherty功率放大器可在宽带范围内高效率工作，且在功率回退一定范围内，效率仍能保持较高水平，可被集成于手机移动终端射频前端芯片中。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的电路原理图。
图3是本发明的主功放偏置网络电路原理图。
图4是本发明的辅功放偏置网络电路原理图。
图5(a)～图5(d)是本发明的变压器等效转换电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例，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。
如图1、图2、图3及图4所示，一种宽带Doherty功率放大器，包括带90度相移的输入功分器、主功放电路、辅功放电路和输出匹配合路网络，所述主功放电路及辅功放电路均采用两级结构。
所述主功放电路包括主功放输入匹配网络、主功放推动级偏置网络、主功放推动管、主功放放大级偏置网络、主功放级间匹配网络及主功放放大管。
所述辅功放电路包括辅功放输入匹配网络、辅功放推动级偏置网络、辅功放推动管、辅功放放大级偏置网络、辅功放级间匹配网络及辅功放放大管。
主功放和辅功放电路均采用两级结构；带90度相移的输入功分器将射频输入信号分为两路幅度相等且相位相差90度的信号，其中主功放输入信号滞后辅功放输入信号90度；主功放输入匹配网络和辅功放输入匹配网络完全相同，不仅实现宽带输入匹配，而且其中的串联电容和接地电感分别起到隔直流和静电短路保护作用；主功放推动级偏置网络和辅功放推动级偏置网络的结构完全相同，但其中所采用的串联电阻的值不同，以分别提供AB类和C类的偏置状态；主功放推动管和辅功放推动管完全相同；主功放级间匹配网络和辅功放级间匹配网络完全相同，均采用单端转差分的变压器结构；主功放放大级偏置网络与主功放推动级偏置网络完全相同，辅功放放大级偏置网络与辅功放推动级偏置网络完全相同；主功放放大管和辅功放放大管完全相同；输出匹配合路网络不仅起到宽带阻抗调制功能，同时也起到宽带功率合成作用。
所述带90度相移的输入功分器I主体采用平行耦合的螺旋线构成，两侧加载电容以减小螺旋线的长度实现紧凑设计，同时在耦合线隔离端加入隔离电阻来调整隔离端反射能量大小，实现对幅度和相位的控制。
具体地，包含第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2和第一电阻R1，其中所述第一电感L1和第二电感L2之间存在平行耦合效应。
进一步，所述主功放输入匹配网络和辅功放输入匹配网络的结构相同，采用一个电容串联一个接地电感的LC网络形式，不仅实现宽带输入匹配，而且串联电容起到隔直流作用，接地电感起到静电短路保护作用。
本实施例中各部分结构如下：
所述主功放输入匹配网络II包括第三电感L3和第三电容C3，起到主功放输入阻抗匹配的作用，同时所述第三电感L3还起到静电短路保护作用，所述第三电容C3还起到隔直的作用。
所述辅功放输入匹配网络III包括第四电感L4和第四电容C4，起到辅功放输入阻抗匹配的作用，同时所述第四电感L4还起到静电短路保护作用，所述第四电容C4还起到隔直的作用。
所述主功放推动级偏置网络和主功放放大级偏置网络均采用自适应偏置结构，将主功放偏置在AB类工作状态，包括一个串联电阻、两个二极管连接形态的晶体管、一个大电容、一个晶体管和一个镇流电阻，以实现在大功率工作状态下仍能保持稳定的静态工作点。
所述辅功放推动级偏置网络和辅功放放大级偏置网络的结构与主功放完全相同，但所采用的串联电阻的值不同，以将辅功放偏置在C类工作状态。
具体地：
所述主功放推动级偏置网络IV包括第一串联电阻Rs1、第一偏置电容Cb1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一偏置晶体管HBTb1和第一镇流电阻Rb1，其中，所述第一串联电阻Rs1用以调整偏置电压，所述第一二极管D1和第二二极管D2提供偏置基准电压，所述第一偏置晶体管HBTb1的发射极-基极二极管提供自适应电压调整，所述第一镇流电阻Rb1起到温度补偿作用，所述第一偏置电容Cb1起到滤波作用。
所述辅功放推动级偏置网络V包括第二串联电阻Rs2、第二偏置电容Cb2、第三二极管D3、第四二极管D4、第二偏置晶体管HBTb2和第二镇流电阻Rb2，它们的作用与主功放推动级偏置网络IV的元件作用相同。
所述主功放推动管和辅功放推动管均采用四个晶体管并联实现，为Doherty功率放大器提供足够的增益。
具体地：
所述主功放推动管包括第一至第四晶体管HBT1、HBT2、HBT3和HBT4，相互并联而成。
所述辅功放推动管包括第五至第八晶体管HBT5、HBT6、HBT7和HBT8，相互并联而成。
所述主功放级间匹配网络和辅功放级间匹配网络均采用单端转差分的结构，包括一个并联接地电容、一个单端转差分的变压器和两个串联隔直电容，其中变压器的接地端作为推动级集电极偏置电压输入端，同时采用差分架构可提高匹配阻抗拓展带宽。
具体地：
所述主功放级间匹配网络VI包括第五电感L5、第六电感L6、第五电容C5、第七电容C7和第八电容C8，共同实现主功放级间阻抗匹配作用，其中所述第五电感L5和第六电感L6之间存在平行耦合效应，耦合系数为k1。所述第五电感L5的一端作为主功放推动级晶体管的集电极偏置电压输入端。
所述辅功放级间匹配网络VII包括第七电感L7、第八电感L8、第六电容C6、第九电容C9和第十电容C10，共同实现辅功放级间阻抗匹配作用，其中所述第七电感L7和第八电感L8之间存在平行耦合效应，耦合系数为k1。所述第七电感L7的一端作为辅功放推动级晶体管的集电极偏置电压输入端。
主功放放大级和辅功放放大级的偏置网络都包括两个。
所述主功放放大级偏置网络VIII和主功放放大级偏置网络IX的组成元件和元件值与所述主功放推动级偏置网络IV完全相同。
所述辅功放放大级偏置网络X和辅功放放大级偏置网络XI的组成元件和元件值与所述辅功放推动级偏置网络V完全相同。
所述主功放放大管包括第九至第二十四晶体管HBT9、HBT10、HBT11、HBT12、HBT13、HBT14、HBT15、HBT16、HBT17、HBT18、HBT19、HBT20、HBT21、HBT22、HBT23和HBT24，其中第九至第十六晶体管和第十七至第二十四晶体管分别与所述主功放级间匹配网络VI的差分输出端相连。
所述辅功放放大管包括第二十五至第四十晶体管HBT25、HBT26、HBT27、HBT28、HBT29、HBT30、HBT31、HBT32、HBT33、HBT34、HBT35、HBT36、HBT37、HBT38、HBT39和HBT40，其中第二十五至第三十二晶体管和第三十三至第四十四晶体管分别与所述辅功放级间匹配网络VII的差分输出端相连。
所述输出匹配合路网络XII包括第九电感L9、第十电感L10、第十一电感L11、第十二电感L12、第十三电感L13、第十四电感L14、第十五电感L15、第十六电感L16、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16和第十七电容C17。其中，所述第九电感L9、第十电感L10、第十一电容C11和第十三电容C13构成第一π型集总网络；所述第十一电感L11、第十二电感L12、第十二电容C12和第十四电容C14构成第二π型集总网络；所述第十三电感L13、第十四电感L14、第十三电容C13和第十四电容C14构成第三π型集总网络；所述第十三电容C13和第十四电容C14是三个π型集总网络共用；所述第十五电感L15和第十六电感L16之间存在平行耦合效应，耦合系数为k2，起到差分转单端和阻抗匹配的作用；所述第十五电容C15用以调谐第十六电感L16；所述第十六电容C16和第十七电容C17是通过变压器等效转换得到，分别用以抵消实际变压器的漏磁电感和励磁电感，实现宽带匹配。
本实施例中一种宽带Doherty功率放大器的结构如图1、图2、图3和图4所示，以下仅仅为本发明的一个实例，本实例中采用的工艺为AWSC GaAs HBT，所设计的工作频率为N77频段，即为3.3-4.2GHz。
图5(a)～图5(d)是本发明中变压器等效过程。为了实现阻抗匹配和功率合成，需引入耦合系数为1的理想变压器，但由于实际变压器存在励磁电感和漏磁电感，因此本发明引入一个并联电感和一个串联电感分别作为理想变压器的励磁电感和漏磁电感。同时为了保证电路的等效性，额外引入一个串联电容和一个并联电容作为匹配元件，最后引入一个串联接地电容用以调谐变压器次级线圈。
综上所述，本发明提出了一种应用于手机移动终端的宽带Doherty功率放大器，该功率放大器基于平行耦合结构、实际变压器等效转换方法和π型集总网络进行设计，不仅能够在宽带范围内实现较高的饱和效率，同时在功率产生回退时同样保持较好的效率，且结构紧凑，适用于5G手机移动终端的发射前端芯片系统。
本实施例还提供一种适用于5G手机移动终端的发射前端芯片系统，包括如实施例1所述的宽带Doherty功率放大器。
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 (10)
1.一种宽带Doherty功率放大器，其特征在于，包括带90度相移的输入功分器、主功放电路、辅功放电路和输出匹配合路网络，所述主功放电路及辅功放电路均采用两级结构，包括输入匹配网络、推动级偏置网络、推动管、放大级偏置网络、级间匹配网络、放大管及输出匹配合路网络。
2.根据权利要求1所述的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，所述输出匹配合路网络采用三个π型集总网络和一个可片上实现的变压器等效电路实现。
3.根据权利要求1所述的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，所述带有90度相移的输入功分器包括两个平行耦合的螺旋电感，每个螺旋电感的两端加载两个电容，隔离端连接电阻接地。
4.根据权利要求1所述的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，所述输入匹配网络包括一个电容串联一个接地电感的LC网络形式。
5.根据权利要求1所述的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，所述推动级偏置网络和放大级偏置网络均采用自适应偏置结构。
6.根据权利要求5所述的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，所述主功放电路的推动级偏置网络和放大级偏置网络偏置在AB类工作状态，辅功放电路的推动级偏置网络和放大级偏置网络偏置在C类工作状态。
7.根据权利要求1所述的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，所述级间匹配网络采用单端转差分的结构。
8.根据权利要求2所述的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，实现变压器等效过程如下：
引入耦合系数为1的理想变压器，由于实际变压器存在励磁电感和漏磁电感，因此引入一个并联电感和一个串联电感分别作为理想变压器的励磁电感和漏磁电感，同时为了保证电路的等效性，额外引入一个串联电容和一个并联电容作为匹配元件，最后引入一个串联接地电容用以调谐变压器次级线圈。
9.根据权利要求8所述的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，所述输出匹配合路网络包括第九电感、第十电感、第十一电感、第十二电感、第十三电感、第十四电感、第十五电感、第十六电感、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第十四电容、第十五电容、第十六电容和第十七电容；
所述第九电感、第十电感、第十一电容和第十三电容构成第一π型集总网络；所述第十一电感、第十二电感、第十二电和第十四电容构成第二π型集总网络；所述第十三电感、第十四电感、第十三电容和第十四电容构成第三π型集总网络；所述第十三电容和第十四电容是三个π型集总网络共用；所述第十五电感和第十六电感之间存在平行耦合效应，起到差分转单端和阻抗匹配的作用；所述第十五电容用以调谐第十六电感；所述第十六电容和第十七电容是通过变压器等效转换得到，分别用以抵消实际变压器的漏磁电感和励磁电感，实现宽带匹配。
10.根据权利要求1所述的宽带Doherty功率放大器，其特征在于，所述推动管包括四个晶体管。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117559925A (zh) * | 2024-01-12 | 2024-02-13 | 电子科技大学 | 一种多模高效率功率放大器 |
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2023
- 2023-05-19 CN CN202310568288.1A patent/CN116743093A/zh active Pending
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| CN117559925A (zh) * | 2024-01-12 | 2024-02-13 | 电子科技大学 | 一种多模高效率功率放大器 |
| CN117559925B (zh) * | 2024-01-12 | 2024-03-29 | 电子科技大学 | 一种多模高效率功率放大器 |
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