CN213990606U - 基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器 - Google Patents
基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其包括：宽带输入功分器、载波放大电路、峰值放大电路及合路谐振电路；所述宽带输入功分器的输入端与射频信号输入端连接；所述载波放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第一输出端连接；所述峰值放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第二输出端连接；所述载波放大电路的输出端与峰值放大电路的输出端合路后，与合路谐振电路的输入端连接；所述合路谐振电路的输出端与射频信号输出端连接；所述合路谐振电路包括一个并联谐振网络。本实用新型插入损耗低，结构紧凑，整体体积更小，节约成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及集成电路技术领域，特别涉及一种功率放大器。
背景技术
随着无线通信技术的发展，调制信号的峰均比也变得越来越高。提升功率放大器在较大回退输出功率处的效率是非常有必要的。同时MIMO技术在5G中的大规模应用使得对单功放输出功率的需求降低，对功放尺寸小型化的需求提升。基于GaN的高电子迁移率单片集成Doherty功率放大器是满足以上需求的最佳选择之一，因而引起了广泛关注。
为了进一步提升放大器的效率，通常需要对晶体管的谐波进行控制。一种常规方法是在载波或者峰值放大器的晶体管与输出匹配网络之间使用一个谐振网络对晶体管的二次谐波进行控制。另一种常用方法是在载波或者峰值放大器的输入匹配网络与晶体管之间使用一个谐振网络对晶体管的二次谐波进行控制。但是这两种方法有一个相同的局限性，即每一个晶体管均需要一个谐振网络来控制谐波，这无疑将引入更大的损耗并且占用更多的芯片版图面积。
因此十分有必要研究出一种功率放大器来解决上述问题。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中的不足，本实用新型提供了一种基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器。
技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其包括：宽带输入功分器、载波放大电路、峰值放大电路及合路谐振电路；
所述宽带输入功分器的输入端与射频信号输入端连接；所述载波放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第一输出端连接；所述峰值放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第二输出端连接；
所述载波放大电路的输出端与峰值放大电路的输出端合路后，与合路谐振电路的输入端连接；所述合路谐振电路的输出端与射频信号输出端连接；
所述载波放大电路主要由移相网络、第一输入匹配网络、载波放大器T1、第一输出匹配网络依次级联而成；
所述峰值放大电路主要由第二输入匹配网络、峰值放大器T2、第二输出匹配网络依次级联而成；
所述合路谐振电路包括一个并联谐振网络。
优选的，所述合路谐振电路主要由一个并联谐振网络和后匹配网络依次级联而成。
优选的，所述并联谐振网络包括传输线电感L1及集总电容C1，且主要由传输线电感L1与集总电容C1并联而成。
作为优选的，所述第二输出匹配网络为阻抗变换网络，其包括主要由电感LP2与电容CP1组成的阻抗变换器；
所述第一输出匹配网络包括主要由电感LC1、电感LC2和电容CC1组成的π型阻抗变换网络。
进一步优选的，所述阻抗变换网络还包括电感LP1和电容CP2；
所述电感LP1的一端与所述峰值放大器T2的漏极相连，另一端与第四外部供电端Vdp相连；所述电感LP2的一端与峰值放大器T2的漏极相连，另一端与电容CP2的一端相连；所述电容CP2的另一端与合路谐振电路的输入端相连；
所述电容CP1的一端与电感LP2和电容CP2之间的连接点相连，电容CP1的另一端接地。
进一步优选的，所述电感LC1的一端与所述载波放大器T1的漏极相连，另一端与第二外部供电端Vdc相连；电容CC1的一端与载波放大器T1的漏极相连，另一端与合路谐振电路的输入端相连；电感LC2的一端与合路谐振电路的输入端相连，另一端接地。
优选的，所述第一输入匹配网络和第二输入匹配网络拓扑结构相同。
作为优选的，所述宽带输入功分器、移相网络、第一输入匹配网络、第二输入匹配网络、第一输出匹配网络、第二输出匹配网络、后匹配网络中的元件均为集总元件。
优选的，所述第一输入匹配网络与第一外部供电端Vgc电路连接；所述第一输出匹配网络与第二外部供电端Vdc电路连接；所述第二输入匹配网络与第三外部供电端Vgp电路连接；所述第二输出匹配网络与第四外部供电端Vdp电路连接。
优选的，所述载波放大器T1为高电子迁移率晶体管，和/或所述峰值放大器 T2为高电子迁移率晶体管。
有益效果：本实用新型提供的一种基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，相对现有技术而言具有如下优点：
1、仅采用一个并联LC谐振网络即可实现对两个晶体管二次谐波的控制，在实现高回退及饱和效率的同时，插入损耗低，结构紧凑，与传统的Doherty 功率放大器相比，能够进一步降低整个输出网络的插入损耗及尺寸，整体体积更小，十分有利于小型化设计，且节约成本。
2、进一步的，本实用新型提供的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器中，除并联LC谐振网络内的电感采用分布式传输线电感外，其余元件全部采用集总元件，进一步大大减少了电路面积，整体结构更为紧凑，面积更小，成本低，在集成芯片中具有更大的应用优势和更广的应用空间，可广泛应用于第五代移动通信系统中。
总体而言，本实用新型提供的一种基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其回退及饱和效率高，结构紧凑，占用面积小，在较宽的频率范围内具有良好的功率效率特性，较小的增益波动以及较低的插入损耗，可以很好地作为功率放大器件广泛应用在第五代移动通信系统中。
附图说明
图1为本实施例提供的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器的电路结构原理框图；
图2为4.6～5.2GHz基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器的大信号特性的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步的详细说明，以下实施列对本实用新型不构成限定。
本实施例提供的一种基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，如图1 所示，其包括：宽带输入功分器、载波放大电路、峰值放大电路及合路谐振电路；
所述宽带输入功分器的输入端与射频信号输入端连接；所述载波放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第一输出端连接；所述峰值放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第二输出端连接；
所述载波放大电路的输出端与峰值放大电路的输出端合路后，与合路谐振电路的输入端连接；所述合路谐振电路的输出端与射频信号输出端连接；
所述载波放大电路主要由移相网络、第一输入匹配网络、载波放大器T1、第一输出匹配网络依次级联而成；
所述峰值放大电路主要由第二输入匹配网络、峰值放大器T2、第二输出匹配网络依次级联而成；
所述合路谐振电路包括一个并联谐振网络。本实施例中，该合路谐振电路由一个并联谐振网络和后匹配网络依次级联而成。也可以说是：上述并联谐振网络位于第一输出匹配网络与第二输出匹配网络的合路点之后，且位于后匹配网络之前。
图中的RF IN为射频输入，即对应文中的射频信号输入端；图中的RF OUT 为射频输出，即对应文中的射频信号输出端。
本实用新型中的宽带输入功分器、移相网络、第一输入匹配网络、第二输入匹配网络，均可采用现有技术或本领域常规技术手段实现。
上述并联谐振网络包括传输线电感L1及集总电容C1，并由传输线电感L1 与集总电容C1并联而成。
在本实施例中，Ropt为载波放大器T1和/或峰值放大器T2处于B类工作模式时饱和状态下的负载线电阻值。在本实施例中，上述并联谐振网络的谐振频率为宽带Doherty功率放大器工作频段中心频率的2倍，其中f0是宽带Doherty功率放大器工作频段的中心频率。文中所述并联谐振网络，亦可称为并联谐振块或 LC谐振网络。
在某些实施例中，上述载波放大器T1为高电子迁移率晶体管，和/或所述峰值放大器T2为高电子迁移率晶体管。本实施例中，载波放大器T1和峰值放大器T2均采用相同的高电子迁移率晶体管。
上述第一输出匹配网络、第二输出匹配网络、后匹配网络，均可采用现有技术或本领域常规技术手段实现即可。在某些具体实施例中，第一输出匹配网络及第二输出匹配网络均采用低阶LC网络实现。
本实施例中采用的第二输出匹配网络为阻抗变换网络，其包括主要由电感 LP2与电容CP1组成的阻抗变换器，以及电感LP1和电容CP2。所述电感LP1的一端与所述峰值放大器T2的漏极相连，另一端与第四外部供电端Vdp相连；所述电感LP2的一端与峰值放大器T2的漏极相连，另一端与电容CP2的一端相连；所述电容CP2的另一端与合路谐振电路的输入端相连；所述电容CP1的一端与电感LP2和电容CP2之间的连接点相连，电容CP1的另一端接地。此时，第二输出匹配网络通过电感LP2的一端与峰值放大器T2的漏极相连，实现峰值放大器T2 与第二输出匹配网络的级联，通过电容CP2的另一端与合路谐振电路的输入端相连，实现峰值放大电路的输出端与载波放大电路的输出端合路后，与合路谐振电路的输入端连接。
本实施例中采用的第一输出匹配网络包括由电感LC1、电感LC2和电容CC1组成的π型阻抗变换网络；所述电感LC1的一端与所述载波放大器T1的漏极相连，另一端与第二外部供电端Vdc相连；电容CC1的一端与载波放大器T1的漏极相连，另一端与合路谐振电路的输入端相连；电感LC2的一端与合路谐振电路的输入端相连，另一端接地。此时，第一输出匹配网络通过电容CC1的一端与载波放大器T1的漏极相连，实现载波放大器T1与第一输出匹配网络的级联，通过电容CC1的另一端与合路谐振电路的输入端相连，实现载波放大电路的输出端与峰值放大电路的输出端合路后，与合路谐振电路的输入端连接。
本实施例中，饱和时，第一输出匹配网络和第二输出匹配网络需将放大器基波阻抗匹配至Ropt+j*2X1，二次谐波最优阻抗匹配至Ropt+j*2X2。在6-dB回退点，第一输出匹配网络需将载波放大器基波阻抗匹配至Ropt/2+j*X1，将二次谐波最优阻抗匹配至Ropt/2+j*X2，第二输出匹配网络则需确保输出阻抗Zout为无穷大。也可以说是：第一输出匹配网络为饱和时将载波放大器基波阻抗匹配至 Ropt+j*2X1及二次谐波最优阻抗匹配至Ropt+j*2X2，在6-dB回退点将载波放大器基波阻抗匹配至Ropt/2+j*X1及二次谐波最优阻抗匹配至Ropt/2+j*X2的第一输出匹配网络；第二输出匹配网络为饱和时将峰值放大器基波阻抗匹配至 Ropt+j*2X1及二次谐波最优阻抗匹配至Ropt+j*2X2，在6-dB回退点使得峰值放大器输出阻抗Zout为无穷大的第二输出匹配网络。
其中X1为并联谐振网络在基波频率处引入的电抗，X2为并联谐振网络在二次谐波频率处引入的电抗，具体为：
其中式中L1为并联谐振网络中传输线电感L1的感值；式中C1为并联谐振网络中集总电容C1的容值。
本实施例中，后匹配网络将50Ω端接负载变换至所需的负载阻抗Ropt/2，也可以说是：后匹配网络为将50Ω端接负载变换至Ropt/2的后匹配网络。
上述电感LC1及电感LP1在参与匹配的同时充当载波及峰值放大器的漏极馈电电感，以遏制射频信号的泄漏。电容CC1及电容CP2在参与匹配的同时充当隔直电容，以防止直流信号泄漏进负载端；本实施例中，通过电感LP2与电容CP1组成一个阻抗变换器，通过电感LC1、LC2与电容CC1组成一个π型阻抗变换网络，以实现所需的阻抗变换。
在本实施例中，第一输入匹配网络和第二输入匹配网络拓扑结构相同。
在本实施例中，上述宽带输入功分器、移相网络、第一输入匹配网络、第二输入匹配网络、第一输出匹配网络、第二输出匹配网络、后匹配网络中的元件均为集总元件。也可以说是：本实施例提供的Doherty功率放大器除并联LC谐振网络内的电感采用分布式传输线电感外，其余元件全部采用集总元件，相较于传统的Doherty功率放大器，进一步大大减少了电路面积，整体结构更为紧凑，面积小，成本低，在集成芯片应用中具有较大优势和应用空间，可广泛应用于第五代移动通信系统。
在本实施例中，上述第一输入匹配网络与第一外部供电端Vgc电路连接；所述第一输出匹配网络与第二外部供电端Vdc电路连接；所述第二输入匹配网络与第三外部供电端Vgp电路连接；所述第二输出匹配网络与第四外部供电端Vdp 电路连接。
文中所述射频信号输入端亦可称为射频输入端，文中所述射频信号输出端亦可称为射频输出端。文中所述宽带输入功分器亦可称为宽带功分器；文中所述移相网络亦可称为相位补偿网络。
本实施例对所需工作带宽4.6～5.2GHz通过谐波平衡进行仿真，上述实施例提供的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器在所需工作带宽4.6-5.2GHz 内的大信号特性的仿真结果如图2所示(图2中的箭头指向，是示意该曲线上的数值所对应的竖坐标方向)，图2给出的测试结果表明：在该Doherty放大器的全工作频带内，放大器的饱和功率大于41.8dBm，饱和漏极效率大于62％，6-dB 回退漏极效率大于56％。由此可见，本实用新型在较宽的射频带宽内具有很好的功率效率特性。同时由图2可以看出，本实用新型不同频点曲线之间的一致性较好，由此可见，该宽带Doherty功率放大器具有很好的宽带特性。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出以上实施列对本实用新型不构成限定，相关工作人员在不偏离本实用新型技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其特征在于，包括：宽带输入功分器、载波放大电路、峰值放大电路及合路谐振电路；
所述宽带输入功分器的输入端与射频信号输入端连接；所述载波放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第一输出端连接；所述峰值放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第二输出端连接；
所述载波放大电路的输出端与峰值放大电路的输出端合路后，与合路谐振电路的输入端连接；所述合路谐振电路的输出端与射频信号输出端连接；
所述载波放大电路主要由移相网络、第一输入匹配网络、载波放大器T1、第一输出匹配网络依次级联而成；
所述峰值放大电路主要由第二输入匹配网络、峰值放大器T2、第二输出匹配网络依次级联而成；
所述合路谐振电路包括一个并联谐振网络。
2.如权利要求1所述的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其特征在于，所述合路谐振电路主要由一个并联谐振网络和后匹配网络依次级联而成。
3.如权利要求1或2所述的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其特征在于，所述并联谐振网络包括传输线电感L1及集总电容C1，且主要由传输线电感L1与集总电容C1并联而成。
4.如权利要求1所述的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其特征在于，所述第二输出匹配网络为阻抗变换网络，其包括主要由电感LP2与电容CP1组成的阻抗变换器；
所述第一输出匹配网络包括主要由电感LC1、电感LC2和电容CC1组成的π型阻抗变换网络。
5.如权利要求4所述的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其特征在于，所述阻抗变换网络还包括电感LP1和电容CP2；
所述电感LP1的一端与所述峰值放大器T2的漏极相连，另一端与第四外部供电端Vdp相连；所述电感LP2的一端与峰值放大器T2的漏极相连，另一端与电容CP2的一端相连；所述电容CP2的另一端与合路谐振电路的输入端相连；
所述电容CP1的一端与电感LP2和电容CP2之间的连接点相连，电容CP1的另一端接地。
6.如权利要求4所述的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其特征在于，所述电感LC1的一端与所述载波放大器T1的漏极相连，另一端与第二外部供电端Vdc相连；电容CC1的一端与载波放大器T1的漏极相连，另一端与合路谐振电路的输入端相连；电感LC2的一端与合路谐振电路的输入端相连，另一端接地。
7.如权利要求1所述的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其特征在于，所述第一输入匹配网络和第二输入匹配网络拓扑结构相同。
8.如权利要求2所述的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其特征在于，所述宽带输入功分器、移相网络、第一输入匹配网络、第二输入匹配网络、第一输出匹配网络、第二输出匹配网络、后匹配网络中的元件均为集总元件。
9.如权利要求1所述的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其特征在于，所述第一输入匹配网络与第一外部供电端Vgc电路连接；所述第一输出匹配网络与第二外部供电端Vdc电路连接；所述第二输入匹配网络与第三外部供电端Vgp电路连接；所述第二输出匹配网络与第四外部供电端Vdp电路连接。
10.如权利要求1所述的基于合路并联谐振网络的Doherty功率放大器，其特征在于，所述载波放大器T1为高电子迁移率晶体管，和/或所述峰值放大器T2为高电子迁移率晶体管。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114070210A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-02-18 | 唯捷创芯(天津)电子技术股份有限公司 | 一种高带宽的负载调制功率放大器及相应的射频前端模块 |
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2020
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| CN114070210A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-02-18 | 唯捷创芯(天津)电子技术股份有限公司 | 一种高带宽的负载调制功率放大器及相应的射频前端模块 |
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