CN116865685B - 一种高集成度宽带高效率功率放大器 - Google Patents

一种高集成度宽带高效率功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及射频前端技术领域，具体地说，涉及一种高集成度宽带高效率功率放大器；通过设置功率合成网络1b和功率匹配与正交输出网络1b；将峰值放大器进行阻抗匹配并转换输出两路幅度相等的电流信号；采用功率合成网络1b，控制载波放大器输出信号幅度和相位，通过负载牵引形式动态调整峰值放大器负载阻抗值，摆脱了1/4波长传输线固有的窄带特性对功率放大器的束缚，实现了在宽频带、大动态条件下高效率工作。

Description

一种高集成度宽带高效率功率放大器
技术领域
本发明涉及射频前端技术领域，具体地说，涉及一种高集成度宽带高效率功率放大器。
背景技术
现代移动通讯系统中，为了提高频谱资源的利用率，复杂的调制方式使得信号的峰均比越来越高，高峰均比信号的传输使功率放大器需要工作在功率回退状态以应对大动态范围信号的传输，避免强非线性失真情况的出现。而工作在输出功率回退状态下的功率放大器效率会急剧恶化，功率放大器效率低下，严重地影响了无线移动通信系统的整体性能，加重通信系统在耗能、散热等方面的负担。
提高放大器在回退时的效率的方法有负载调制技术、供电调制技术以及非线性元件的线性放大技术等，有源负载调制放大器能够调整饱和与回退区间的匹配阻抗位置，实现大动态范围信号传输与多功率模式应用的髙效率工作，从而在无线通信系统中得到广泛应用。
Doherty功率放大器是典型采用负载调制技术的功率放大器，Doherty结构的关键是峰值放大器对载波放大器的负载牵引。随着驱动功率信号的增加，峰值放大器从夹断状态遂渐打开，同时载波放大器的电压保持恒定、输出电流逐渐増大。在功放输出功率增加的区间内，载波放大器的等效负载在smith圆图上呈现从高阻趋向低阻的过程。
传统Doherty功率放大器电路主要包含载波放大器、峰值放大器以及阻抗逆变换网络。载波放大器输出视在阻抗、辅功放输出视在阻抗以及整体电路输出端口都是以50Ω负载进行阻抗匹配的。为实现有源负载调制，载波放大器与峰值放大器之间需要引入50Ω的四分之一波长线（阻抗逆变换网络），同时载波放大器与峰值放大器的连接点也接入一段四分之一波长线，实现输出端口负载的阻抗变换。通过控制峰值放大器的开启状态与输出功率，达到在功率回退区间牵引载波放大器负载阻抗的目的。此外，为了保证载波放大器与峰值放大器合成相位的一致性，还需在峰值放大器输入端添加四分之一波长的相位补偿线或者相位补偿网络。
如图1所示，传统Doherty功率放大器利用传输线实现阻抗变换，由于四分之一波长传输线只能在较窄的频率范围内具有阻抗逆变的作用，传输线也只在窄带内具备设定的移相特性，所以当工作频率偏离设计频点时不仅相位会发生偏移，相应的阻抗也发生偏移。因此传输线的存在，必然导致传统Doherty功率放大器无法适用于大带宽工作条件。
发明内容
本发明针对现有Doherty功率放大器设置的传输线只在窄带内具备设定的移相特性，当工作频率偏离设计频点时不仅相位会发生偏移，相应的阻抗也发生偏移，无法适用于大带宽工作条件的问题，提出一种高集成度宽带高效率功率放大器；通过设置功率合成网络1b和功率匹配与正交输出网络1b；将峰值放大器进行阻抗匹配并转换输出两路幅度相等的电流信号；采用功率合成网络1b，控制载波放大器输出信号幅度和相位，通过负载牵引形式动态调整峰值放大器负载阻抗值，摆脱了1/4波长传输线固有的窄带特性对功率放大器的束缚，实现了在宽频带、大动态条件下高效率工作。
本发明具体实现内容如下：
一种高集成度宽带高效率功率放大器，包括不均衡功分器1b、输入匹配网络1b、载波放大器APM1b、输出匹配网络1b、输入匹配网络2b、峰值放大器APM2b、输出匹配网络2b；所述不均衡功分器1b的输入端输入射频信号，输出端与所述输入匹配网络1b、所述输入匹配网络2b连接；所述载波放大器APM1b的输入端与所述输入匹配网络1b的输出端连接，所述载波放大器APM1b的输出端与所述输出匹配网络1b的输入端连接；所述峰值放大器APM2b的输入端与所述输入匹配网络2b的输出端连接；所述高集成度宽带高效率功率放大器还包括功率合成网络1b、功率匹配与正交输出网络1b；
所述功率匹配与正交输出网络1b的输入端与所述峰值放大器APM2b的输出端连接，所述功率匹配与正交输出网络1b的第一输出端与所述功率合成网络1b的第一输入端连接，所述功率匹配与正交输出网络1b的第二输出端与所述功率合成网络1b的第二输入端连接；
所述功率合成网络1b的第三输入端与所述输出匹配网络1b的输出端连接；
所述功率匹配与正交输出网络1b，用于根据放大后的所述射频信号生成幅度相等的第二电流信号和第四电流信号；
所述功率合成网络1b，用于根据从所述输出匹配网络1b获取的第三电流信号、所述第二电流信号和所述第四电流信号，生成第一电流信号，并根据所述第一电流信号获取所述峰值放大器APM2b与所述载波放大器APM1b的功率比，获取所述第三电流信号和所述第二电流信号的相位差；调整所述相位差和所述功率比，将所述载波放大器APM1b的负载阻抗牵引至设定位置。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述高集成度宽带高效率功率放大器还包括宽带移相网络1b，所述宽带移相网络1b搭接在所述不均衡功分器1b的输出端与所述输入匹配网络1b的输入端之间；
所述宽带移相网络1b，用于调节所述第三电流信号和所述第二电流信号的相位差。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述功率匹配与正交输出网络1b包括谐振单元、转换单元；所述谐振单元的输入端与所述峰值放大器APM2b的输出端连接，所述谐振单元的输出端与所述转换单元的输入端连接；所述转换单元的输出端与所述功率合成网络1b的第一输入端和所述功率合成网络1b的第二输入端连接；
所述谐振单元，用于调整所述峰值放大器APM2b的输出阻抗，生成第一放大信号；
所述转换单元，用于将所述第一放大信号转换为幅度相等的第二电流信号和第四电流信号。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述谐振单元包括变压器T1d、电容C1d、电容C2d；
所述变压器T1d的初级线圈的正极与所述峰值放大器APM2b的输出端连接，所述变压器T1d的初级线圈的负极与接地的所述电容C1d连接；
所述变压器T1d的次级线圈的正极与所述转换单元的输入端连接，所述变压器T1d的次级线圈的负极与接地的所述电容C2d连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述转换单元包括变压器T2d、变压器T3d、电阻R1d；
所述变压器T2d的初级线圈的正极与所述变压器T1d的次级线圈的正极连接，所述变压器T2d的初级线圈的负极与所述变压器T3d的初级线圈的正极连接；
所述变压器T2d的次级线圈的正极与接地的所述电阻R1d连接，所述变压器T2d的次级线圈的负极与所述变压器T3d的次级线圈的正极连接；
所述变压器T3d的初级线圈的负极与所述功率合成网络1b的第一输入端连接，所述变压器T3d的次级线圈的负极与所述功率合成网络1b的第二输入端连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述功率匹配与正交输出网络1b还包括第一调整单元；所述第一调整单元，用于调整所述变压器T2d和所述变压器T3d的不平衡性；
所述第一调整单元包括电容C3d；
所述电容C3d一端搭接在所述变压器T2d的初级线圈的负极与所述变压器T3d的初级线圈的正极之间，另一端搭接在所述变压器T2d的次级线圈的负极与所述变压器T3d的次级线圈的正极之间。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述功率合成网络1b包括合成单元；所述合成单元包括变压器T1c、变压器T2c；
所述变压器T1c的初级线圈的正极与所述变压器T3d的初级线圈的负极连接，所述变压器T1c的初级线圈的负极与变压器T2c的初级线圈的正极连接；
所述变压器T1c的次级线圈的正极与所述变压器T3d的次级线圈的负极连接，所述变压器T1c的次级线圈的负极与变压器T2c的次级线圈的正极连接；
所述变压器T2c的次级线圈的负极与所述输出匹配网络1b的输出端连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述功率合成网络1b还包括第二调节单元；所述第二调节单元包括电容C1c；
所述电容C1c的输入端搭接在所述变压器T1c的初级线圈的负极与所述变压器T2c的初级线圈的正极之间，另一端搭接在所述变压器T1c的次级线圈的负极与所述变压器T2c的次级线圈的正极之间。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述功率合成网络1b还包括第三调节单元；所述第三调节单元包括电容C2c和电容C3c；
所述电容C2c一端搭接在所述电容C1c和所述变压器T2c的初级线圈的正极之间，另一端与地端连接；
所述电容C3c一端搭接在所述电容C1c和所述变压器T2c的次级线圈的正极之间，另一端与地端连接。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明通过控制载波放大器输出信号幅度和相位，通过负载牵引形式动态调整峰值放大器负载阻抗值，控制峰值放大器的输出功率，摆脱了1/4波长传输线固有的窄带特性对功率放大器的束缚，实现了高集成度宽带高效率功率放大器具备在宽频带、大动态条件下高效率工作的能力。
（2）本发明设置的功率匹配与正交输出网络单元采用变压器形式进行阻抗变化，变压器T1d初级线圈与高集成度宽带高效率功率放大器峰值放大器输出阻抗、初级线圈负极串联接地电容形成第一谐振腔，变压器T1d次级线圈、次级线圈负极串联接地电容和负载阻抗形成第二谐振腔，适当调节第一、第二谐振腔之间的位置，实现了在宽频带内将负载阻抗变换到峰值放大器所需要的负载阻抗。峰值放大器的输出信号经过阻抗变化后，再通过功分结构将信号分为两路幅度相等的正交的信号。
（3）本发明设置的功率合成网络单元不仅将载波放大器和峰值放大器的输出信号进行合成后输出，同时载波放大器的输出信号加载在输出端上，载波放大器与峰值放大器输出信号幅度比和相位差，实现动态调整负载阻抗值，在需要的输出功率点实现了效率最优化的负载阻抗值。
（4）本发明采用的不均衡功分器、宽带移相网络、匹配网络、功率匹配与正交输出网络、功率合成网络均可通过电容、电感、变压器等构成，未采用物理尺寸巨大的1/4波长传输线，有利于功率放大器的集成和小型化，实现了高集成度器件封装。
附图说明
图1为传统Doherty功率放大器结构示意图。
图2为本发明提供的一种高集成度宽带高效率功率放大器结构示意图。
图3为本发明提供的功率合成网络1b结构示意图。
图4为本发明提供的功率匹配与正交输出网络1b结构示意图。
图5为本发明提供的高集成度宽带高效率功率放大器与传统Doherty功率放大器功率附加效率随工作频率变化对比示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出一种高集成度宽带高效率功率放大器，如图2所示，包括不均衡功分器1b、输入匹配网络1b、载波放大器AMP1b、输出匹配网络1b、输入匹配网络2b、峰值放大器APM2b、输出匹配网络2b；所述不均衡功分器1b的输入端输入射频信号，输出端与所述输入匹配网络1b、所述输入匹配网络2b连接；所述载波放大器AMP1b的输入端与所述输入匹配网络1b的输出端连接，所述载波放大器AMP1b的输出端与所述输出匹配网络1b的输入端连接；所述峰值放大器APM2b的输入端与所述输入匹配网络2b的输出端连接；所述高集成度宽带高效率功率放大器还包括功率合成网络1b、功率匹配与正交输出网络1b；
所述功率匹配与正交输出网络1b的输入端与所述峰值放大器APM2b的输出端连接，所述功率匹配与正交输出网络1b的第一输出端与所述功率合成网络1b的第一输入端连接，所述功率匹配与正交输出网络1b的第二输出端与所述功率合成网络1b的第二输入端连接；
所述功率合成网络1b的第三输入端与所述输出匹配网络1b的输出端连接；
所述功率匹配与正交输出网络1b，用于根据放大后的所述射频信号生成幅度相等的第二电流信号和第四电流信号；
所述功率合成网络1b，用于根据从所述输出匹配网络1b获取的第三电流信号、所述第二电流信号和所述第四电流信号，生成第一电流信号，并根据所述第一电流信号获取所述峰值放大器APM2b与所述载波放大器AMP1b的功率比，获取所述第三电流信号和所述第二电流信号的相位差；调整所述相位差和所述功率比，将所述载波放大器AMP1b的负载阻抗牵引至设定位置。
进一步地，所述高集成度宽带高效率功率放大器还包括宽带移相网络1b，所述宽带移相网络1b搭接在所述不均衡功分器1b的输出端与所述输入匹配网络1b的输入端之间；
所述宽带移相网络1b，用于调节所述第三电流信号和所述第二电流信号的相位差。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述功率匹配与正交输出网络1b包括谐振单元、转换单元；所述谐振单元的输入端与所述峰值放大器APM2b的输出端连接，所述谐振单元的输出端与所述转换单元的输入端连接；所述转换单元的输出端与所述功率合成网络1b的第一输入端和所述功率合成网络1b的第二输入端连接；
所述谐振单元，用于调整所述峰值放大器APM2b的输出阻抗，生成第一放大信号；
所述转换单元，用于将所述第一放大信号转换为幅度相等的第二电流信号和第四电流信号。
工作原理：本实施例通过设置功率合成网络1b和功率匹配与正交输出网络1b；将峰值放大器进行阻抗匹配并转换输出两路幅度相等的电流信号；采用功率合成网络1b，控制载波放大器输出信号幅度和相位，通过负载牵引形式动态调整峰值放大器负载阻抗值，摆脱了1/4波长传输线固有的窄带特性对功率放大器的束缚，实现了在宽频带、大动态条件下高效率工作。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，如图4所示，所述谐振单元包括变压器T1d、电容C1d、电容C2d；
所述变压器T1d的初级线圈的正极与所述峰值放大器APM2b的输出端连接，所述变压器T1d的初级线圈的负极与接地的所述电容C1d连接；
所述变压器T1d的次级线圈的正极与所述转换单元的输入端连接，所述变压器T1d的次级线圈的负极与接地的所述电容C2d连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述转换单元包括变压器T2d、变压器T3d、电阻R1d；
所述变压器T2d的初级线圈的正极与所述变压器T1d的次级线圈的正极连接，所述变压器T2d的初级线圈的负极与所述变压器T3d的初级线圈的正极连接；
所述变压器T2d的次级线圈的正极与接地的所述电阻R1d连接，所述变压器T2d的次级线圈的负极与所述变压器T3d的次级线圈的正极连接；
所述变压器T3d的初级线圈的负极与所述功率合成网络1b的第一输入端连接，所述变压器T3d的次级线圈的负极与所述功率合成网络1b的第二输入端连接。
进一步地，所述功率匹配与正交输出网络1b还包括第一调整单元；所述第一调整单元，用于调整所述变压器T2d和所述变压器T3d的不平衡性；
所述第一调整单元包括电容C3d；
所述电容C3d一端搭接在所述变压器T2d的初级线圈的负极与所述变压器T3d的初级线圈的正极之间，另一端搭接在所述变压器T2d的次级线圈的负极与所述变压器T3d的次级线圈的正极之间。
如图3所示，所述功率合成网络1b包括合成单元；所述合成单元包括变压器T1c、变压器T2c；
所述变压器T1c的初级线圈的正极与所述变压器T3d的初级线圈的负极连接，所述变压器T1c的初级线圈的负极与变压器T2c的初级线圈的正极连接；
所述变压器T1c的次级线圈的正极与所述变压器T3d的次级线圈的负极连接，所述变压器T1c的次级线圈的负极与变压器T2c的次级线圈的正极连接；
所述变压器T2c的次级线圈的负极与所述输出匹配网络1b的输出端连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述功率合成网络1b还包括第二调节单元；所述第二调节单元包括电容C1c；
所述电容C1c的输入端搭接在所述变压器T1c的初级线圈的负极与所述变压器T2c的初级线圈的正极之间，另一端搭接在所述变压器T1c的次级线圈的负极与所述变压器T2c的次级线圈的正极之间。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述功率合成网络1b还包括第三调节单元；所述第三调节单元包括电容C2c和电容C3c；
所述电容C2c一端搭接在所述电容C1c和所述变压器T2c的初级线圈的正极之间，另一端与地端连接；
所述电容C3c一端搭接在所述电容C1c和所述变压器T2c的次级线圈的正极之间，另一端与地端连接。
工作原理：本发明具体实施的一种高集成度宽带高效率功率放大器如图2、图3、图4所示，包括不均衡功分器1b、宽带移相网络1b、输入匹配网络1b、输入匹配网络2b、输出匹配网络1b、功率匹配与正交输出网络1b、功率合成网络1b、载波放大器AMP1b和峰值放大器AMP2b。其中：
所述功率合成网络1b为功率合成网络单元，包括变压器T1c、变压器T2c、电容C1c、电容C2c和电容C3c。
功率匹配与正交输出网络1b为功率匹配与正交输出网络单元，包括变压器T1d、变压器T2d、变压器T3d、电容C1d、电容C2d、电容C3d和电阻R1d。
不均衡功分器1b输入端与信号输入端IN1b连接，不均衡功分器1b第一输出端与宽带移相网络1b第一端连接，宽带移相网络1b第二端与输入匹配网络1b第一端连接，输入匹配网络1b第二端与载波放大器AMP1b输入端连接，载波放大器AMP1b输出端与输出匹配网络1b第一端连接，不均衡功分器1b第二输出端与输入匹配网络2b第一端连接，输入匹配网络2b第二端与峰值放大器AMP2b输入端连接，峰值放大器AMP2b输出端与功率匹配与正交输出网络1b第一端连接，功率匹配与正交输出网络1b第二端与功率合成网络1b第一端连接，功率匹配与正交输出网络1b第三端与功率合成网络1b第二端连接，输出匹配网络1b第二端与功率合成网络1b第三端连接，功率合成网络1b第四端与信号输出端OUT1b连接。
功率合成网络1b第一端与功率合成网络单元中的输入端IN1c连接，功率合成网络1b第二端与功率合成网络单元中的输入端IN2c连接，功率合成网络1b第三端与功率合成网络单元中的输出端OUT2c连接，功率合成网络1b第四端与功率合成网络单元中的输出端OUT1c连接，变压器T1c的初级线圈正极与信号输入端IN1c连接，变压器T1c的次级线圈正极与输入端IN2c连接，变压器T1c的初级线圈负极、电容C1c第一端、电容C2c第一端和变压器T2c的初级线圈负极连接在一起，变压器T1c的次级线圈负极、电容C1c第二端、电容C3c第一端和变压器T2c的次级线圈负极连接在一起，变压器T2c的初级线圈正极与信号输出端OUT1c连接，变压器T2c的次级线圈正极与信号输出端OUT2c连接，电容C2c第二端与地连接，电容C3c第二端与地连接。
功率匹配与正交输出网络1b第一端与功率匹配与正交输出网络单元中的输入端IN1d连接，功率匹配与正交输出网络1b第二端与功率匹配与正交输出网络单元中的输入端OUT1d连接，功率匹配与正交输出网络1b第三端与功率匹配与正交输出网络单元中的输入端OUT2d连接，变压器T1d的初级线圈正极与信号输入端IN1d连接，变压器T1d的初级线圈负极与电容C1d第一端连接，电容C1d第二端与地连接，变压器T1d的次级线圈正极与变压器T2d的初级线圈正极连接，变压器T1d的次级线圈负极与电容C2d第一端连接，电容C2d第二端与地连接，变压器T2d的次级线圈正极与电组R1d第一端连接，电组R1d第二端与地连接，变压器T2d的初级线圈负极、电容C3d第一端和变压器T3d的初级线圈负极连接在一起，变压器T2d的次级线圈负极、电容C3d第二端和变压器T3d的次级线圈负极连接在一起，变压器T3d的初级线圈正极与信号输出端OUT1d连接，变压器T3d的次级线圈正极与信号输出端OUT2d连接。
本实施例在传统Doherty功率放大器基础上，采用功率匹配与正交输出网络单元对峰值放大器进行阻抗匹配并转换输出两路正交信号；采用功率合成网络单元进行峰值放大器与载波放大器输出功率合成。
通过控制载波放大器输出信号幅度和相位，通过负载牵引形式动态调整峰值放大器负载阻抗值，控制峰值放大器的输出功率，由于未采用具有强频率相关性的1/4波长传输线进行阻抗匹配和相位补偿，摆脱了1/4波长传输线固有的窄带特性对功率放大器的束缚，使高集成度宽带高效率功率放大器具备在宽频带、大动态条件下高效率工作的能力。
功率匹配与正交输出网络单元采用变压器形式进行阻抗变化，变压器T1d初级线圈与高集成度宽带高效率功率放大器峰值放大器输出阻抗、初级线圈负极串联接地电容形成第一谐振腔，变压器T1d次级线圈、次级线圈负极串联接地电容和负载阻抗形成第二谐振腔，适当调节第一、第二谐振腔之间的位置，可以在宽频带内将负载阻抗变换到峰值放大器所需要的负载阻抗。峰值放大器的输出信号经过阻抗变化后，再通过功分结构将信号分为两路幅度相等的正交信号。
功率合成网络单元不仅将载波放大器和峰值放大器的输出信号进行合成后输出，同时载波放大器的输出信号加载在输出端OUT2c上，载波放大器与峰值放大器输出信号幅度比和相位差，可以动态调整负载阻抗值，进而在需要的输出功率点，得到效率最优化的负载阻抗值。
由于采用的不均衡功分器、宽带移相网络、匹配网络、功率匹配与正交输出网络、功率合成网络均可通过电容、电感、变压器等构成，未采用物理尺寸巨大的1/4波长传输线，有利于功率放大器的集成和小型化，实现高集成度器件封装。
为更好的理解本发明提供的一种高集成度宽带高效率功率放大器，以下将对其工作原理进行详细说明：
射频信号通过信号输入端IN1b进入宽频带Doherty功率放大器，首先通过不均衡功分器1b将射频信号分成两路，一路经过载波放大器支路、一路经过峰值放大器支路：
经过载波放大器支路的射频信号，从功分器1b第一输出端输出，先后经过宽带移相网络1b、输入匹配网络1b后，经过载波放大器AMP1b将信号进行放大，经过功率合成网络1b后，由信号输出端OUT1b输出。
经过峰值放大器支路的射频信号，从功分器1b第二输出端输出，经过输入匹配网络2b后，由峰值放大器AMP2b将信号进行放大，经过功率匹配与正交输出网络1b后，输出两路幅度相等的正交信号进入功率合成网络1b后，由信号输出端OUT1b输出。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-实施例2任一项的基础上，如图5所示，以一个具体的实施例进行详细说明。
输入匹配网络1b、输入匹配网络2b、输出匹配网络1b是高集成度宽带高效率功率放大器的重要部分，起阻抗变换作用。输入匹配网络1b、输入匹配网络2b、输出匹配网络1b均采用宽带匹配结构，消除传统四分之一波长传输线窄带特性对功率放大器带宽的束缚。
功率合成网络1b中，将流入功率合成网络1b第一端的电流设为I2，流入功率合成网络1b第二端的电流设为I4，流入功率合成网络1b第三端的电流设为I3，流出功率合成网络1b第四端的电流设为I1。由功率匹配与正交输出网络1b输出两路幅度相等的正交信号，所以I2与I4幅度相等，相位相差90°，IB为流入功率合成网络1b第一端、第二端电流幅度值， IC为流入功率合成网络1b第三端电流幅度值，即：
（1）
设I3与I2的相位差为θ，则：
（2）
其中，j为虚数，θ为I3与I2的相位差。
设功率合成网络的特征阻抗为Z0，则功率合成网络1b四个端口阻抗矩阵可表示为：
（3）
可以得到各端口的阻抗值为：
（4）
（5）
Z1、Z2、Z3分别为功率合成网络1b第一端、第二端、第三端阻抗值，ZC为功率合成网络1b第三端的视在阻抗，V1为功率合成网络1b第四端的电压，V2为功率合成网络1b第一端的电压，V3为功率合成网络1b第三端的电压，V4为功率合成网络1b第二端的电压。
由式（4）可以得到，峰值放大器的负载阻抗值是由峰值放大器和载波放大器的幅度比与相位差共同决定的。
此时各端口的功率可以表示为：
（6）
（7）
所以总的输出功率为：
（8）
定义载波放大器和峰值放大器1/2输出功率的功率比为α：
（9）
其中，P1为功率合成网络1b第四端的功率，P2为功率合成网络1b第一端的功率，P3为功率合成网络1b第三端的功率，P4为功率合成网络1b第二端的功率。
其中ZB为功率合成网络1b第一端、第二端的视在阻抗，对应阻抗位置的反射系数为：
（10）
由公式（9），（10）可以得到：
（11）
可以看出，载波放大器和峰值放大器单支路输出的功率关系能够映射在以Smith圆图原点为圆心的一组半径为的等反射系数圆上，随着功率比值α的增加，负载阻抗对应的反射系数模值也会増加。随着相位差值θ的增加，负载阻抗在等反射系数圆上逆时针转动。因此，通过设定合理的功率比α和相位差θ，就能够将峰值放大器的负载阻抗牵引到需要的位置。
功率合成网络单元中的电容C1c用于调整变压器T1c和变压器T2c的不平衡性，电容C2c和电容C3c用于控制耦合系数，从而优化幅度和相位误差。
由于需要控制载波放大器和峰值放大器的输出功率比，所以采用不均衡功分器1b对输入功率进行分配，而宽带移相网络1b可以调节I3与I2的相位差为θ。
由于功率合成网络1b的第一端、第二端输入信号需要两路幅度相等的正交信号，所以功率匹配与正交输出网络1b在对峰值放大器进行阻抗预匹配后，将信号转换为两路幅度相等的正交信号，从功率匹配与正交输出网络1b的第二端和第三端输出。
功率匹配与正交输出网络单元中的电容C3d用于调整变压器T2d和变压器T3d的不平衡性，电阻R1d作为隔离端负载，变压器T2d和变压器T3d将变压器T2d的初级线圈正极的输出信号转换为两路幅度相等的正交信号，变压器T1d初级、次级线圈与相应电容、负载构成的两个谐振腔，可以在两个频率点将负载阻抗变换到峰值放大器所需要的负载阻抗，适当调整两个谐振腔位置，可以在宽频带内得到良好的负载阻抗特性。
传统Doherty功率放大器由于采用1/4波长传输线进行阻抗变换，采用传输线进行相位补偿，在工作带宽受限的条件下，还会带来尺寸巨大，不易集成的特点，由于本发明结构中的不均衡功分器、宽带移相网络、匹配网络、功率匹配与正交输出网络、功率合成网络均可通过电容、电感、变压器等集总元器件组成，可实现电路物理尺寸的小型化封装。
图5为本实施例与传统Doherty功率放大器功率附加效率（饱和输出功率回退8.5dB时）随工作频率变化对比示意图。○为传统Doherty功率放大器功率附加效率随工作频率变化关系曲线，△为本实施例功率附加效率随工作频率变化关系曲线。从图5可以看出，本实施例提供的高集成度宽带高效率功率放大器与传统Doherty功率放大器相比较，本实施例提供的一种高集成度宽带高效率功率放大器在宽频带条件下具备优异的功率附加效率，可以满足用户宽带多模和小型化的严苛要求。
本实施例的其他部分与上述实施例1-实施例2任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高集成度宽带高效率功率放大器，包括不均衡功分器1b、输入匹配网络1b、载波放大器APM1b、输出匹配网络1b、输入匹配网络2b、峰值放大器APM2b、输出匹配网络2b；所述不均衡功分器1b的输入端输入射频信号，输出端与所述输入匹配网络1b、所述输入匹配网络2b连接；所述载波放大器APM1b的输入端与所述输入匹配网络1b的输出端连接，所述载波放大器APM1b的输出端与所述输出匹配网络1b的输入端连接；所述峰值放大器APM2b的输入端与所述输入匹配网络2b的输出端连接；其特征在于，所述高集成度宽带高效率功率放大器还包括功率合成网络1b、功率匹配与正交输出网络1b；
所述功率匹配与正交输出网络1b的输入端与所述峰值放大器APM2b的输出端连接，所述功率匹配与正交输出网络1b的第一输出端与所述功率合成网络1b的第一输入端连接，所述功率匹配与正交输出网络1b的第二输出端与所述功率合成网络1b的第二输入端连接；
所述功率合成网络1b的第三输入端与所述输出匹配网络1b的输出端连接；
所述功率匹配与正交输出网络1b，用于根据放大后的所述射频信号生成幅度相等的正交的第二电流信号和第四电流信号；
所述功率合成网络1b，用于根据从所述输出匹配网络1b获取的第三电流信号、所述第二电流信号和所述第四电流信号，生成第一电流信号，并根据所述第一电流信号获取所述峰值放大器APM2b与所述载波放大器APM1b的功率比，获取所述第三电流信号和所述第二电流信号的相位差；调整所述相位差和所述功率比，将所述载波放大器APM1b的负载阻抗牵引至设定位置。
2.根据权利要求1所述的一种高集成度宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述高集成度宽带高效率功率放大器还包括宽带移相网络1b，所述宽带移相网络1b搭接在所述不均衡功分器1b的输出端与所述输入匹配网络1b的输入端之间；
所述宽带移相网络1b，用于调节所述第三电流信号和所述第二电流信号的相位差。
3.根据权利要求1所述的一种高集成度宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述功率匹配与正交输出网络1b包括谐振单元、转换单元；所述谐振单元的输入端与所述峰值放大器APM2b的输出端连接，所述谐振单元的输出端与所述转换单元的输入端连接；所述转换单元的输出端与所述功率合成网络1b的第一输入端和所述功率合成网络1b的第二输入端连接；
所述谐振单元，用于调整所述峰值放大器APM2b的输出阻抗，生成第一放大信号；
所述转换单元，用于将所述第一放大信号转换为幅度相等的正交的第二电流信号和第四电流信号。
4.根据权利要求3所述的一种高集成度宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述谐振单元包括变压器T1d、电容C1d、电容C2d；
所述变压器T1d的初级线圈的正极与所述峰值放大器APM2b的输出端连接，所述变压器T1d的初级线圈的负极与接地的所述电容C1d连接；
所述变压器T1d的次级线圈的正极与所述转换单元的输入端连接，所述变压器T1d的次级线圈的负极与接地的所述电容C2d连接。
5.根据权利要求4所述的一种高集成度宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述转换单元包括变压器T2d、变压器T3d、电阻R1d；
所述变压器T2d的初级线圈的正极与所述变压器T1d的次级线圈的正极连接，所述变压器T2d的初级线圈的负极与所述变压器T3d的初级线圈的正极连接；
所述变压器T2d的次级线圈的正极与接地的所述电阻R1d连接，所述变压器T2d的次级线圈的负极与所述变压器T3d的次级线圈的正极连接；
所述变压器T3d的初级线圈的负极与所述功率合成网络1b的第一输入端连接，所述变压器T3d的次级线圈的负极与所述功率合成网络1b的第二输入端连接。
6.根据权利要求5所述的一种高集成度宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述功率匹配与正交输出网络1b还包括第一调整单元；所述第一调整单元，用于调整所述变压器T2d和所述变压器T3d的不平衡性；
所述第一调整单元包括电容C3d；
所述电容C3d一端搭接在所述变压器T2d的初级线圈的负极与所述变压器T3d的初级线圈的正极之间，另一端搭接在所述变压器T2d的次级线圈的负极与所述变压器T3d的次级线圈的正极之间。
7.根据权利要求5所述的一种高集成度宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述功率合成网络1b包括合成单元；所述合成单元包括变压器T1c、变压器T2c；
所述变压器T1c的初级线圈的正极与所述变压器T3d的初级线圈的负极连接，所述变压器T1c的初级线圈的负极与变压器T2c的初级线圈的正极连接；
所述变压器T1c的次级线圈的正极与所述变压器T3d的次级线圈的负极连接，所述变压器T1c的次级线圈的负极与变压器T2c的次级线圈的正极连接；
所述变压器T2c的次级线圈的负极与所述输出匹配网络1b的输出端连接。
8.根据权利要求7所述的一种高集成度宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述功率合成网络1b还包括第二调节单元；所述第二调节单元包括电容C1c；
所述电容C1c的输入端搭接在所述变压器T1c的初级线圈的负极与所述变压器T2c的初级线圈的正极之间，另一端搭接在所述变压器T1c的次级线圈的负极与所述变压器T2c的次级线圈的正极之间。
9.根据权利要求8所述的一种高集成度宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述功率合成网络1b还包括第三调节单元；所述第三调节单元包括电容C2c和电容C3c；
所述电容C2c一端搭接在所述电容C1c和所述变压器T2c的初级线圈的正极之间，另一端与地端连接；
所述电容C3c一端搭接在所述电容C1c和所述变压器T2c的次级线圈的正极之间，另一端与地端连接。
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