CN117478074A - 一种多端口Doherty功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多端口Doherty功率放大器，包括一个N×N输入巴特勒矩阵网络、N个Doherty子功放和一个N×N输出巴特勒矩阵网络；所述N×N输入巴特勒矩阵网络将N个输入信号进行幅度和相位加权，生成具有不同相位且功率大小相等的N路处理信号，所述Doherty子功放对N路处理信号进行放大并输出N路放大信号到N×N输出巴特勒矩阵网络中；所述N×N输出巴特勒矩阵对N路放大信号重新组合为N个输出信号并输出。本发明克服了传统多端口功率放大器在输出功率回退时漏极效率偏低的问题，并具备宽带及多带工作能力，可应用于现代高速率多通道无线通信系统。

Description

一种多端口Doherty功率放大器
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种多端口Doherty功率放大器。
背景技术
由于多端口功率放大器(MPA)能够形成波束模式，因此在现代雷达和卫星通信系统中被广泛应用于多通道卫星转发器和多波束卫星发射机中。此外，多端口功率放大器架构还可以有效地应用于移动通信系统的自适应天线阵列中。
传统的多端口功率放大器由两个混合矩阵网络和N个放大器组成，输入功率经过输入矩阵网络被平均分配到各个放大器单元输入端口，经过放大后，各个输出信号经过输出矩阵网络被重新组合，最终被发送出去。在多端口功率放大器工作过程中，每个放大器都能够接收到各个端口的输入信号。传统的多端口功率放大器具备以下的特点：在每个时刻，分配给一个输出端口的射频功率是总可用射频功率的一部分，所有放大器都为每个单独的输出信号提供功率；一个高功率功率放大器发生故障虽然会使得总输出功率不可忽略的降低，但并不会导致一路输出信号彻底损失，这在实际应用中可以提高系统的稳定性；通过调整输入信号的幅度，就可以灵活地分配各个输出端口之间的功率大小。
然而，这种传统多端口功率放大器架构也存在着一些不足。现代无线通信系统中为了满足高速率数据传输，需要增加频谱利用率或者拓展频谱带宽。因此，学者们研究出了多种调制技术来频谱利用率，但这使得信号的峰均比变得更大。当输入信号是高峰均比信号，且输入功率较低时，传统多端口功率放大器的效率就会很低，从而导致发射机的性能不佳。
因此，本发明提供了一种多端口Doherty功率放大器，以至少解决上述部分技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种多端口Doherty功率放大器，以至少解决上述部分技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种多端口Doherty功率放大器，包括一个N×N输入巴特勒矩阵网络、N个Doherty子功放和一个N×N输出巴特勒矩阵网络，N个Doherty子功放的输入端分别与N×N输入巴特勒矩阵网络的N个输出端一对一连接，N个Doherty子功放的输出端分别与N×N输出巴特勒矩阵网络的N个输入端一对一连接；所述N×N输入巴特勒矩阵网络用于将N个输入信号进行幅度和相位加权，生成具有不同相位且功率大小相等的N路处理信号，所述Doherty子功放用于对N路处理信号进行放大并输出N路放大信号到N×N输出巴特勒矩阵网络中；所述N×N输出巴特勒矩阵对N路放大信号重新组合为N个输出信号并输出。
进一步地，所述Doherty子功放包括功分器，与功分器连接的载波功率放大器和峰值功率放大器，以及与载波功率放大器和峰值功率放大器连接的负载调制匹配网络，功分器与N×N输入巴特勒矩阵网络的一个输出端连接，负载调制匹配网络与N×N输出巴特勒矩阵网络的一个输入端连接。
进一步地，所述功分器包括与N×N输入巴特勒矩阵网络的一个输出端连接的传输线1和传输线2和分别与传输线1和传输线2一对一连接的传输线3和传输线4，传输线3连接有端口2，传输线4连接有端口3，传输线1与传输线3之间的节点和传输线2与传输线4之间的节点连接有电阻1，传输线3与端口2之间的节点和传输线4与端口3之间的节点连接有电阻2。
进一步地，所述载波功率放大器包括依次连接的载波输入匹配网络、有源晶体管1和载波输出匹配网络，所述峰值功率放大器包括依次连接的峰值输入匹配网络、有源晶体管2和峰值输出匹配网络，载波输入匹配网络和峰值输入匹配网络与功分器连接，载波输出匹配网络和峰值输出匹配网络与负载调制匹配网络连接。
进一步地，所述有源晶体管1和有源晶体管2均采用有源晶体管CG2H40010F。
进一步地，所述功分器与载波输入匹配网络之间连接有相位补偿线，所述峰值输出匹配网络与负载调制匹配网络之间连接有峰值补偿线。
进一步地，所述载波输入匹配网络和峰值输入匹配网络均包含有栅极偏置电路，栅极偏置电路采用微带线。
进一步地，所述载波输出匹配网络和峰值输出匹配网络均包含有漏极偏置电路，漏极偏置电路采用微带线。
进一步地，所述N×N输入巴特勒矩阵网络包括交叉连接的3dB定向耦合器1和移相器1。
进一步地，所述N×N输出巴特勒矩阵网络包括交叉连接的3dB定向耦合器2和移相器2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明克服了传统多端口功率放大器在输出功率回退时漏极效率偏低的问题，并具备宽带及多带工作能力，通过使用Doherty架构来作为子功放，利用Doherty具有高回退效率的特性来解决传统多端口功放回退效率低的问题，可应用于现代高速率多通道无线通信系统。
附图说明
图1为本发明的架构图。
图2为二端口Doherty功率放大器的原理图。
图3为3dB定向耦合器原理图。
图4为Doherty子功放原理图。
图5为功分器结构图。
图6为所用CG2H40010F晶体管封装参数图。
图7为二端口Doherty功率放大器Doherty子功放仿真结果图。
图8为二端口Doherty功率放大器仿真结果图。
附图：
图2中D1和D3表示载波功率放大器，D2和D4表示峰值功率放大器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，术语“1”、“2”、“3”、“4”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
如图1所示，本发明提供的一种多端口Doherty功率放大器，包括一个N×N输入巴特勒矩阵网络、N个Doherty子功放和一个N×N输出巴特勒矩阵网络，N个Doherty子功放的输入端分别与N×N输入巴特勒矩阵网络的N个输出端一对一连接，N个Doherty子功放的输出端分别与N×N输出巴特勒矩阵网络的N个输入端一对一连接；所述N×N输入巴特勒矩阵网络用于将N个输入信号进行幅度和相位加权，生成具有不同相位且功率大小相等的N路处理信号，所述Doherty子功放用于对N路处理信号进行放大并输出N路放大信号到N×N输出巴特勒矩阵网络中；所述N×N输出巴特勒矩阵对N路放大信号重新组合为N个输出信号并分别输出到N×N输出巴特勒矩阵网络的N个输出端。
本发明所述N×N输入巴特勒矩阵网络包括交叉连接的3dB定向耦合器1和移相器1，所述N×N输出巴特勒矩阵网络包括交叉连接的3dB定向耦合器2和移相器2。N×N输入巴特勒矩阵网络和N×N输出巴特勒矩阵网络均具有N个输入和输出端，输入信号经过N×N输入巴特勒矩阵网络被平均分配到每个Doherty子功放，N×N输出巴特勒矩阵网络对各Doherty子功放输出的放大信号进行重新组合，并在相应的输出端输出。输入巴特勒矩阵网络或输出巴特勒矩阵网络各个输出的信号会根据网络端口个数具有特定的相位关系，也就是根据端口数目的不同，移相器相移大小和3dB定向耦合器的个数会因此改变。
本发明所述Doherty子功放包括功分器，与功分器连接的载波功率放大器和峰值功率放大器，以及与载波功率放大器和峰值功率放大器连接的负载调制匹配网络，功分器与N×N输入巴特勒矩阵网络的一个输出端连接，负载调制匹配网络与N×N输出巴特勒矩阵网络的一个输入端连接。功分器用于将N×N输入巴特勒矩阵网络输出的一路处理信号等分两路信号，再分别送入载波功率放大器和峰值功率放大器。负载调制网络在载波功率放大器和峰值功率放大器进行功率合成以及有源负载调制过程，将信号传输至负载，实现Doherty工作模式。
本发明所述载波功率放大器包括依次连接的载波输入匹配网络、有源晶体管1和载波输出匹配网络，所述峰值功率放大器包括依次连接的峰值输入匹配网络、有源晶体管2和峰值输出匹配网络，载波输入匹配网络和峰值输入匹配网络与功分器连接，载波输出匹配网络和峰值输出匹配网络与负载调制匹配网络连接。输入匹配网络将有源晶体管的最优源阻抗匹配至系统阻抗，输出匹配网络将有源晶体管的最优负载阻抗匹配至系统阻抗；输入匹配网络包含栅极偏置电路，输出匹配网络包含漏极偏置电路，从而提供稳定的工作电压给有源晶体管，使得载波功放和峰值功放分别工作在AB类和C类。同时输入匹配网络能够也将信号尽可能多传输到晶体管栅极以保证功放的增益，同时提供给晶体管合适的栅极偏置电压。
具体实施例如图2所示，本实施例提供了一种二端口Doherty功率放大器，包括一个2×2输入巴特勒矩阵网络、两个Doherty子功放和一个2×2输出巴特勒矩阵网络。对于一个二端口Doherty功率放大器，其输入巴特勒矩阵网络为一个3dB定向耦合器，可将接收到的两个射频信号等功率分配到两个Doherty子功放的输入端。如图3所示，当信号由3dB定向耦合器的P1端口输入时，从A1和A2两个输出端输出功率相等且对应相位分布为(90°，0°)的处理信号；当3dB定向耦合器的P2输入端口输入信号时，A1和A2输出功率相等且相位分布为(0°，90°)的处理信号。
上述处理信号经过输入巴特勒矩阵网路的输出端口输入到并行排布的两个Doherty子功放。Doherty子功放包含功分器，载波功率放大器，峰值功率放大器，负载调制匹配网络四个部分。功分器将对应输入的一路处理信号均分给载波放大器和峰值放大器。Doherty子功放通过增大载波放大器在回退点处的负载阻抗，从而提升了功放在功率回退时的效率。在回退点至饱和点之间，随着输入功率增加，峰值放大器开启，开始有源负载调制，载波放大器负载阻抗逐渐降低，最终使得载波放大器和峰值放大器共同达到饱和状态，实现高效率工作状态。所述Doherty子功放如图4所示。
本实施例中的二端口Doherty功率放大器的工作频带为1.5GHz～2.4GHz。
本实施例采用理想的3dB定向耦合器作为输入巴特勒矩阵网络和输出巴特勒矩阵网络。
对于Doherty子功放，本实施例所使用的功分器结构如图5所示，为一款二阶等分威尔金森功分器，可在较宽频带内对Doherty子功放的两条支路进行等功率分配。载波功率放大器和峰值功率放大器均优选Wolfspeed公司的CGH2H40010F晶体管，晶体管的漏极偏置电压设置为28V。通过设置栅极偏置电压为～3V和～5.3V，来使载波功率放大器和峰值功率放大器分别工作在AB类和C类。使用输入匹配网络和输出匹配网络以及负载调制匹配网络来扩展Doherty子功放的带宽。输入匹配网络使用多段微带线结构，将晶体管的最优源阻抗匹配到系统阻抗，保证输入功率在整个工作频带内能够较好的输送至晶体管栅极以保证功放的增益。对于载波放大器和峰值放大器的输出匹配网络，使用去封装的方法来设计。CGH2H40010F晶体管的寄生及封装参数如图6所示，最优负载阻抗经计算约为30欧姆，结合点负载阻抗设为15欧姆。
本实施例载波输出匹配网络应将回退时的负载ZL匹配到2Ropt附近，饱和时候的负载2ZL匹配到Ropt附近。在设计峰值功率放大器时除了要考虑匹配，还要调节峰值补偿线使输出端阻抗在功放未开启时处于开路点附近，以减小对载波功率放大器的影响；调节相位补偿线使载波路和峰值路同相功率合成，获得最大输出功率。负载调制匹配网络在工作频带内应能够很好的匹配到所设定的ZL。
本实施例的二端口Doherty子功放的效率及增益随输出功率的变化情况如图7所示，在1.5～2.4GHz内，饱和输出功率为44.3dBm～45dBm，饱和漏极效率为64％～65.5％，饱和增益大于10.3dB；在回退6dB时漏极效率为54.6％～55.3％。可见本实施的Doherty功率放大器具备良好的宽带工作性能。最终两路Doherty子功放输出的放大信号在输出巴特勒矩阵网络的3dB定向耦合器被重新组合，得到两路输出信号。
对本实施例的二端口Doherty功率放大器进行总体仿真，可以得到多端口功放的效率和增益如图8所示，在1.5～2.4GHz内总饱和输出功率为47.3dBm～48.1dBm，总饱和漏极效率为64.3％～67.7％，总饱和增益大于10.3dB；在回退6dB时总漏极效率为54.9％～55.8％。
由仿真结果可知，本实施例的二端口Doherty功率放大器在较宽的频带内，表现出了与Doherty相似的性能，即具有较高的回退效率，这弥补了传统多端口功放在发射高峰均功率比信号时效率严重下降的问题，适用于现代高速率多通道无线通信系统。
最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；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；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多端口Doherty功率放大器，其特征在于，包括一个N×N输入巴特勒矩阵网络、N个Doherty子功放和一个N×N输出巴特勒矩阵网络，N个Doherty子功放的输入端分别与N×N输入巴特勒矩阵网络的N个输出端一对一连接，N个Doherty子功放的输出端分别与N×N输出巴特勒矩阵网络的N个输入端一对一连接；所述N×N输入巴特勒矩阵网络用于将N个输入信号进行幅度和相位加权，生成具有不同相位且功率大小相等的N路处理信号，所述Doherty子功放用于对N路处理信号进行放大并输出N路放大信号到N×N输出巴特勒矩阵网络中；所述N×N输出巴特勒矩阵对N路放大信号重新组合为N个输出信号并输出。
2.根据权利要求1所述的一种多端口Doherty功率放大器，其特征在于，所述Doherty子功放包括功分器，与功分器连接的载波功率放大器和峰值功率放大器，以及与载波功率放大器和峰值功率放大器连接的负载调制匹配网络，功分器与N×N输入巴特勒矩阵网络的一个输出端连接，负载调制匹配网络与N×N输出巴特勒矩阵网络的一个输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种多端口Doherty功率放大器，其特征在于，所述功分器包括与N×N输入巴特勒矩阵网络的一个输出端连接的传输线1和传输线2和分别与传输线1和传输线2一对一连接的传输线3和传输线4，传输线3连接有端口2，传输线4连接有端口3，传输线1与传输线3之间的节点和传输线2与传输线4之间的节点连接有电阻1，传输线3与端口2之间的节点和传输线4与端口3之间的节点连接有电阻2。
4.根据权利要求2所述的一种多端口Doherty功率放大器，其特征在于，所述载波功率放大器包括依次连接的载波输入匹配网络、有源晶体管1和载波输出匹配网络，所述峰值功率放大器包括依次连接的峰值输入匹配网络、有源晶体管2和峰值输出匹配网络，载波输入匹配网络和峰值输入匹配网络与功分器连接，载波输出匹配网络和峰值输出匹配网络与负载调制匹配网络连接。
5.根据权利要求4所述的一种多端口Doherty功率放大器，其特征在于，所述有源晶体管1和有源晶体管2均采用有源晶体管CG2H40010F。
6.根据权利要求4所述的一种多端口Doherty功率放大器，其特征在于，所述功分器与载波输入匹配网络之间连接有相位补偿线，所述峰值输出匹配网络与负载调制匹配网络之间连接有峰值补偿线。
7.根据权利要求4所述的一种多端口Doherty功率放大器，其特征在于，所述载波输入匹配网络和峰值输入匹配网络均包含有栅极偏置电路，栅极偏置电路采用微带线。
8.根据权利要求4所述的一种多端口Doherty功率放大器，其特征在于，所述载波输出匹配网络和峰值输出匹配网络均包含有漏极偏置电路，漏极偏置电路采用微带线。
9.根据权利要求1所述的一种多端口Doherty功率放大器，其特征在于，所述N×N输入巴特勒矩阵网络包括交叉连接的3dB定向耦合器1和移相器1。
10.根据权利要求1所述的一种多端口Doherty功率放大器，其特征在于，所述N×N输出巴特勒矩阵网络包括交叉连接的3dB定向耦合器2和移相器2。
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