CN212649423U - 基于后匹配结构的新型Doherty功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于后匹配结构的新型Doherty功率放大器，包括用于将一路射频信号分成多路的等分功分器、用于对信号进行处理以及电压的放大的载波功放模块，根据载波功放模块进行负载调制的峰值功放模块以及后匹配网络；所述等分功分器的输出端分为两路分别与载波功放模块和峰值功放模块输入端连接；本方案在保证效率的同时实现宽带的功率放大器。
Description
技术领域
本实用新型涉及通讯技术领域，特别是涉及一种基于后匹配结构的新型 Doherty功率放大器。
背景技术
迄今为止，用于无线通信的功率放大器（PA）设计主要集中在提高射频带宽，效率和线性度。传统的设计方法只能在达到高效的同时牺牲带宽，也就不能应用于覆盖多个频段的宽带无线通信系统。特别是现在的 4G 和未来的 5G 通信系统，均需要保证效率的同时实现宽带的功率放大器。
针对这一现状，S.C.Crispps于 2009 年提出连续类宽带功率放大器，描述了用于高效线性功率放大器中的电压波形的新型公式。连续B/J类，连续F类，连续逆F类等一系列连续模式被接连提出，K.Chen 等人在2012年将连续F类和连续逆F类综合，所有这些工作模式为设计宽带功放提供了比较完善理论和实际可行性。
然而，这些工作模式还是要求基波阻抗或者导纳空间的实部为定值，为了进一步扩展空间，来自中国电子科技大学的J.Chen等人提出了 SCMs（Series of ContinuousModes）模式，通过在连续类基础上扩展方程以达到进一步扩展带宽的目的，其后，SICM（theseries of inverse continuous modes）被W.Shi等人提出。这些工作模式扩展了连续模式的带宽。
目前传统的设计方法只能在达到高效的同时牺牲带宽，也就不能应用于覆盖多个频段的宽带无线通信系统，针对此，提出改进。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供均需要保证效率的同时实现宽带的功率放大器的一种基于后匹配结构的新型 Doherty 功率放大器。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
基于后匹配结构的新型 Doherty 功率放大器，其特征在于：包括用于将一路射频信号分成多路的等分功分器、用于对信号进行处理以及电压的放大的载波功放模块，根据载波功放模块进行负载调制的峰值功放模块以及后匹配网络；
所述等分功分器的输出端分为两路分别与载波功放模块和峰值功放模块输入端连接；
所述载波功放模块由相位补偿线、载波输入匹配网络、载波放大器和载波输出匹配网络依次串联连接组成；
所述峰值功放模块包括峰值补偿线、峰值输入匹配网络、峰值放大器和峰值输出匹配网络，峰值输入匹配网络、峰值放大器和峰值输出匹配网络以及峰值补偿线依次串联连接；
载波功放模块和峰值功放模块的输出端与后匹配网络的输入端连接，后匹配网络的输出端作为射频输出端。
优选地，载波放大器采用载波晶体管。
优选地，峰值功放模块采用峰值晶体管。
优选地，所述的后匹配网络包括用于将10Ω阻抗转到50Ω阻抗的波长线模块、微带线和隔直电容，波长线模块、微带线和隔直电容依次串联，其中微带线采用50Ω的微带线，微带线和隔直电容之间安装有电阻，波长线模块包括依次串联的若干个电阻。
优选地，载波放大器具有载波功放电路饱和区，载波功放电路饱和区的最佳负载点在 20Ω，选取系统的负载阻抗为10Ω，以便使用相对低阶的网络将饱和区的阻抗匹配到20Ω临界回退区的阻抗匹配到 10Ω，分别设计的载波输入匹配网络和载波输出匹配网络具有特性负载阻抗，其特性负载阻抗在饱和区为 20Ω，在临界回退区为 10Ω。
峰值功放通常被偏置在 C 类，以满足输入功率较小时，峰值功放不开启的要求，峰值放大器的栅极电压偏置在-6V，偏置过深会导致输出功率不够，峰值放大器的源电压设置在 32V 以满足输出功率的要求。
综上可知，本方案包括：一等分功分器，功率分配器，用于将一路信号分成多路，本次设计为对称设计，因此选用等分功分器使载波功放和峰值功放的输入功率相等；一载波功放，Doherty 电路中的载波功放决定了整个电路临界回退区的效率，因此载波功放需要在临界回退区和饱和区均表现出高效的特征；一峰值功放，峰值功放的主要作用是对载波功放进行负载调制，同时在功率开启点之后配合载波功放进行功率输出；一后匹配网络，在前面的设计中，载波功放和峰值功放合路后的输出端的阻抗为10Ω，而通信系统和测试系统的标准阻抗为 50Ω，因此需要一个后匹配电路将10Ω匹配到50Ω；一相位补偿线和峰值补偿线，能调节载波相位调节线长度和峰值相位调节线长度，使两路功放的输出的功率叠加时相位相同，从而得到最大功率输出。
本实用新型针对传统 Dohety功率放大器的带宽限制因素，应用后匹配结构，仿真设计了一款工作在包括 4G 预留频段和 5G 中频段2.4-3.4GHz 的 Doherty 功放。
附图说明
图1是所述基于后匹配结构的新型 Doherty 功放结构框图；
图2是图1中载波功放模块的设计示意图；
图3是图1中峰值功放模块的设计示意图；
图4是图1中后匹配电路的设计示意图；
图5为载波功放模块的示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
结合图1所示，基于后匹配结构的新型 Doherty 功率放大器，该系统包括一等分功分器、一载波功放模块、一峰值功放模块、一后匹配网络、一相位补偿线和一峰值补偿线。
具体是包括用于将一路射频信号分成多路的等分功分器、用于对信号进行处理以及电压的放大的载波功放模块，根据载波功放模块进行负载调制的峰值功放模块以及后匹配网络；
所述等分功分器的输出端分为两路分别与载波功放模块和峰值功放模块输入端连接；
载波功放模块和峰值功放模块的输出端与后匹配网络的输入端连接，后匹配网络的输出端作为射频输出端。
如图2及图5所示，所述载波功放模块由相位补偿线、载波输入匹配网络B 、载波放大器D和载波输出匹配网络C依次串联连接组成；优选地，载波放大器D采用载波晶体管。
载波功放电路饱和区的最佳负载点在 20Ω附近，因此选取系统的负载阻抗ZCL为10Ω，以便使用相对低阶的网络将饱和区的阻抗匹配到20Ω临界回退区的阻抗匹配到 10Ω。分别设计输入和输出匹配网络。特性负载阻抗在饱和区为 20Ω，在临界回退区为 10Ω，本节将载波功放的隔直电容设置在后匹配电路之后，图中输出端的电容只为了方便仿真，不参与匹配，因此取 1μF 的理想大电容。载波相位调节线的长度不影响载波功放的性能。
Doherty 电路中的峰值功放的主要作用是对载波功放进行负载调制，同时在功率开启点之后配合载波功放进行功率输出。
图3所示，所述峰值功放模块包括峰值补偿线2ZL、峰值输入匹配网络E、峰值放大器和峰值输出匹配网络G，峰值输入匹配网络、峰值放大器和峰值输出匹配网络以及峰值补偿线依次串联连接；优选地，峰值功放模块采用峰值晶体管。
峰值功放模块通常被偏置在 C 类，以满足输入功率较小时，峰值功放不开启的要求。本小节将峰值功放的栅极电压偏置在-6V，偏置过深会导致输出功率不够。因为晶体管在高频段的输出能力不理想，因此将漏源电压设置在 32V 以满足输出功率的要求。
在前面的设计中，载波功放和峰值功放合路后的输出端的阻抗为10Ω，而通信系统和测试系统的标准阻抗为 50Ω，因此需要一个后匹配电路将10Ω匹配到50Ω。
图4所示，采用最平坦低通滤波器原型进行10Ω到50Ω的匹配，利用三段四分之一波长线进行阻抗转换，同时有滤除高频谐波的功能，设计好这三段线之后，加入50Ω微带线和隔直电容，隔直电容采取9.1uf。
图2-图4中的方形连接均是微带线，上面的数字是微带线参数宽度（mm）/长度（mm），如图4的第一个微带线的大小为：即宽为8.8mm，长为0.2mm的微带线，其他的微带线相同方式得出微带线的大小，同时所有微带线均采用50Ω的微带线。峰值功放模块与载波功放模块类似，可参考其原理。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.基于后匹配结构的新型 Doherty 功率放大器，其特征在于：包括用于将一路射频信号分成多路的等分功分器、用于对信号进行处理以及电压的放大的载波功放模块，根据载波功放模块进行负载调制的峰值功放模块以及后匹配网络；
所述等分功分器的输出端分为两路分别与载波功放模块和峰值功放模块输入端连接；
所述载波功放模块由相位补偿线、载波输入匹配网络、载波放大器和载波输出匹配网络依次串联连接组成；
所述峰值功放模块包括峰值补偿线、峰值输入匹配网络、峰值放大器和峰值输出匹配网络，峰值输入匹配网络、峰值放大器和峰值输出匹配网络以及峰值补偿线依次串联连接；
载波功放模块和峰值功放模块的输出端与后匹配网络的输入端连接，后匹配网络的输出端作为射频输出端。
2.根据权利要求1所述的基于后匹配结构的新型 Doherty 功率放大器，其特征在于：载波放大器采用载波晶体管。
3.根据权利要求1所述的基于后匹配结构的新型 Doherty 功率放大器，其特征在于：峰值功放模块采用峰值晶体管。
4.根据权利要求1所述的基于后匹配结构的新型 Doherty 功率放大器，其特征在于：所述的后匹配网络包括用于将10Ω阻抗转到50Ω阻抗的波长线模块、微带线和隔直电容，波长线模块、微带线和隔直电容依次串联，其中微带线采用50Ω的微带线。
5.根据权利要求1所述的基于后匹配结构的新型 Doherty 功率放大器，其特征在于：载波放大器具有载波功放电路饱和区，载波功放电路饱和区的最佳负载点在 20Ω，载波输出匹配网络的输出端连接有负载阻抗，选取的负载阻抗为10Ω，载波输入匹配网络具有特性负载阻抗，其特性负载阻抗在饱和区为 20Ω，在临界回退区为 10Ω。
6.根据权利要求5所述的基于后匹配结构的新型 Doherty 功率放大器，其特征在于：载波输出匹配网络串联有隔直电容，隔直电容设置在后匹配网络之后，隔直电容取 1μF。
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| CN113437942A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-09-24 | 中国科学院微电子研究所 | 一种宽带功分器和宽带功率放大器 |
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