WO2012146003A1

WO2012146003A1 - 一种功率放大管以及功率放大方法

Info

Publication number: WO2012146003A1
Application number: PCT/CN2011/081387
Authority: WO
Inventors: 何钢; 陈化璋; 崔晓俊
Original assignee: 中兴通讯股份有限公司
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2012-11-01
Also published as: EP2538556A4; EP2538556A1; US20130141166A1; CN102158184A

Description

一种功率放大管以及功率放大方法

技术领域

本发明涉及射频功率放大器设计技术领域，尤其涉及一种功率放大管以及功率放大方法。

背景技术

随着移动通讯业务的快速增长，对相应器件的低耗、高效、小体积的性能要求也迅速增加，基站产品的效率高低、体积大小已经成为行业竟争的焦点，基站中对决定效率的主要部件即功放器件的效率提升也成为了核心点，射频功率放大器广泛用于各种无线发射设备中，效率和线性是功率放大器两个最重要的指标，设计线性高效率的功率放大器，是目前该领域研究的热点和难点。多赫蒂（Doherty )放大器技术是目前提高功率放大器效率中最有效和最广泛使用的技术。

Doherty技术最初应用于行波管，为广播提供大功率发射机，其架构简单易行，效率高。

传统的 Doherty结构由 2个功放组成：一个主功放（也称为载波功放，即 Carrier Power Amplifier ) , —个辅助功放 (也称为峰值功放，即 Peak Power Amplifier), 主功放工作在 B类或者 AB类，辅助功放工作在 C类。两个功放不是轮流工作，而是主功放一直工作，辅助功放到设定的峰值才工作（所以辅助功放也称为峰值功放）。主功放输出端后的 90度四分之一波长线起到阻抗变换的作用，目的是在辅助功放工作时，起到将主功放的视在阻抗减小的作用，保证辅助功放工作的时候和后续电路组成的有源负载阻抗变低，这样主功放输出电流就变大。由于主功放输出端后的四分之一波长线，为了使两个功放输出同相，在辅助功放前面也需要 90°相移，如图 1所示。

主功放工作在 B类，当总的输入信号比较小时，只有主功放处于工作状态；当主功放管的输出电压达到峰值饱和点时，理论上的功放效率能达到 78.5 %。如果这时将激励加大一倍，那么，主功放管在达到峰值的一半时就出现饱和了，功放效率也达到最大的 78.5 % , 此时辅助功放也开始与主功放一起工作。辅助功放的引入，使得从主功放的角度看，负载减小了，因为辅助功放对负载的作用相当于串连了一个负阻抗，所以，即使主功放的输出电压饱和恒定，但输出功率因为负载的减小却持续增大 (流过负载的电流变大了）。当达到激励的峰值时，辅助功放也达到了本身效率的最大点，这样两个功放合在一起的效率就远远高于单个 Β类功放的效率。单个 Β类功放的最大效率 78.5 %出现在峰值处，现在 78.5 %的效率在峰值的一半就出现了，所以这种系统结构能达到很高的效率（每个放大器均达到最大的输出效率）。

传统的 Doherty放大器由两只同一类型且独立封装的功放管来分别作为主放大器和峰值放大器组合实现，目前业界釆用最多的是横向扩散金属氧化物半导体（ Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor, 简称 LDMOS ) 功放管。釆用同一类型的功放管，其供电电压及偏置方式相同，因此偏置电路设计简单；由于各功放管为同一类型，其批量生产的离散也相对容易控制。但两只独立封装的功放管设计布局面积较大，已远远不能满足小体积的要求。

针对这一现状，各功放管厂家都纷纷投入大量研究，研发出了针对

Doherty技术的高效率、 d、体积应用的功放管，例如 Freescale的双端器件，如图 2 所示。此类器件在一个封装中集成了两个独立的功放管（目前均为 LDMOS功放管芯，可分别作为 Doherty放大器的 Carrier放大器和 Peak放大器使用，其内部结构如图 3所示），可灵活实现小体积的 Doherty放大器，但由于釆用的仍然是 LDMOS功放管，而 LDMOS器件已经发展到第八代，虽然其成本低廉，性能的提升空间却非常有限，已远远不能满足绿色环保要求。因此，如何针对 Doherty应用来设计小体积且高效率的功放管是需要解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种功率放大管以及功率放大方法，在保证功率放大管的 d、体积基础上实现高效率的功率放大。为解决上述技术问题，本发明提供一种功率放大管，应用于多赫蒂功放装置，该功率放大管包括高压异质结双极晶体管（HVHBT )功放管芯和高电子迁移率晶体管（ HEMT )功放管芯，且所述 HVHBT功放管芯和所述 HEMT 功放管芯集成在同一封装中。

可选的，所述功率放大管为双路结构放大管时，一路是设置为釆用所述 HVHBT功放管芯并且另一路是设置为釆用所述 HEMT功放管芯。

可选的，其中，所述功率放大管为多路结构放大管时，

一路是设置为釆用所述 HVHBT功放管芯并且其余的几路是设置为釆用 HEMT管芯，或者，

一路是设置为釆用所述 HEMT 功放管芯并且其余的几路是设置为釆用所述 HVHBT管芯。

可选的，所述 HVHBT是基于砷化镓 ( GaAs ) , 所述 HEMT是基于氮化镓（ GaN ) 。

本发明还提供另一种功率放大管，应用于多赫蒂功放装置，所述功率放大管包括辅助功放器和主功放器，其中，

所述辅助功放器和主功放器均集成在所述功率放大管所在的同一封装中；

所述功率放大管中辅助功放器和主功放器中，部分功放器设置为釆用 HVHBT器件进行信号功率放大，其它放大器设置为釆用 HEMT器件进行信号功率放大。

可选的，所述功率放大管为双路结构放大管时，所述辅助功放器是设置为釆用 HVHBT器件并且所述主功放器是设置为釆用 HEMT器件，或者，所述辅助功放器是设置为釆用 HEMT 器件并且所述主功放器是设置为釆用 HVHBT器件。

可选的，所述功率放大管为多路结构放大管时，部分辅助功放器是设置为釆用 HVHBT器件并且其它辅助功放器以及主功放器是设置为釆用 HEMT 器件，或者，主功放器是设置为釆用 HVHBT器件并且辅助功放器是设置为釆用 HEMT器件，或者，主功放器以及部分辅助功放器是设置为釆用 HVHBT 器件并且其它辅助功放器是设置为釆用 HEMT器件。

可选的，所述 HVHBT器件是基于 GaAs的器件，所述 HEMT器件是基于 GaN的器件。

本发明还提供一种功率放大方法，包括：

使用 HVHBT功放管芯和 HEMT功放管芯进行信号功率放大，且所述所述 HVHBT功放管芯和所述 HEMT功放管芯集成在功率放大管的同一封装中。

可选的，所述功率放大管为多路结构放大管时，一路釆用所述 HVHBT 功放管芯并且其余的几路釆用所述 HEMT 功放管芯，或者，一路釆用所述可选的，上述方法还包括：

根据功率放大管的功放参数选择所述 HVHBT器件和所述 HEMT器件。本发明还提供另一种功率放大方法，其包括：

将辅助功放器和主功放器集成在功率放大管所在的同一封装中；所述功率放大管的辅助功放器和主功放器中，部分功放器釆用 HVHBT器件进行信号功率放大，其它放大器釆用 HEMT器件进行信号功率放大。

可选的，所述功率放大管为双路结构放大管时，所述辅助功放器釆用 HVHBT器件并且所述主功放器釆用 HEMT器件，或者，所述辅助功放器釆用 HEMT器件并且所述主功放器釆用 HVHBT器件。

可选的，所述功率放大管为多路结构放大管时，部分辅助功放器釆用

HVHBT器件并且其它辅助功放器以及主功放器釆用 HEMT器件，或者，主功放器釆用 HVHBT器件并且辅助功放器釆用 HEMT器件，或者，主功放器以及部分辅助功放器釆用 HVHBT器件并且其它辅助功放器釆用 HEMT器件。

上述方案应用于 Doherty放大器，釆用突破性的全新功放管芯组合方式设计功率管，与现有的全部釆用 LDMOS的功放管芯的 Doherty放大器相比，可在保证功率放大管的 d、体积基础上实现高效率的功率放大。附图概述

图 1为传统的 Doherty功率放大器结构图；

图 2 为相关技术中独立封装的双路功放管外形图；

本发明的较佳实施方式

本发明实施方式中的功率放大管，应用于多赫蒂功放装置，该功率放大管包括高压异质结双极晶体管（ High Voltage Heteroj unction Bipolar Transistor , HVHBT )功放管芯和高电子迁移率晶体管（ High Electron Mobility Transistor, HEMT )功放管芯，且 HVHBT和 HEMT功放管芯集成在同一封装中。

其中， HVHBT器件是指能工作在高电压下的 HBT工艺器件，该高电压是指高于 12V 以上的工作电压。它包括但不限于美国 Triquint公司的 Tripower系列功率放大器件。

HVHBT器件可以是基于砷化镓（GaAs ) 的器件。 HEMT器件可以是基于氮化镓（GaN ) 的器件。

可选的，功率放大管包括主功放器和辅助功放器。

主功放器和辅助功放器均集成功率放大管所在的同一封装；功率放大管中主功放器和辅助功放器中的一个或多个放大器设置为釆用高压异质结双极晶体管 ( High Voltage Heteroj unction Bipolar Transistor, HVHBT ) 器件进行信号功率放大，其它放大器设置为釆用高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor, 简称 HEMT ) 器件进行信号功率放大。

实施例一中，如图 4 所示，功率放大管为双路结构放大管时，一路是设置为釆用 HVHBT管芯并且另一路是设置为釆用 HEMT管芯。将两路功放管芯集成到功率放大管的同一封装中，保证功率放大管体积小同时提高功放的高效率。实施例二中，功率放大管为多路结构放大管时，一路是设置为釆用

HVHBT管芯并且其它几路是设置为釆用 LDMOS管芯，或者，一路是设置为釆用 LDMOS管芯并且其它几路是设置为釆用 HEMT管芯。将多路功放管芯均集成到功率放大管的同一封装中，保证功率放大管体积小同时提高功放的高效率。

HVHBT器件是基于砷化镓（GaAs ) 的器件， HEMT器件是基于氮化镓（GaN ) 的器件。

本发明实施方式中功率放大方法包括：将 HVHBT功放管芯和 HEMT功放管芯集成在功率放大管的同一封装中。

可选的，将主功放器和辅助功放器集成功率放大管所在的同一封装；功率放大管的主功放器和辅助功放器中的一个或多个放大器釆用 HVHBT器件进行信号功率放大，其它放大器釆用 HEMT器件进行信号功率放大。

实施例一中，如图 4 所示，功率放大管为双路结构放大管时，辅助功放器釆用 HVHBT器件并且主功放器釆用 HEMT器件，或者，辅助功放器釆用 HEMT器件并且主功放器釆用 HVHBT器件。将两路功放管芯集成到功率放大管的同一封装中，保证功率放大管体积小同时提高功放的高效率。

实施例二中，功率放大管为多路结构放大管时，一个或多个辅助功放器釆用 HVHBT器件并且其它辅助功放器以及主功放器釆用 HEMT器件，或者，主功放器釆用 HVHBT器件并且辅助功放器釆用 HEMT器件，或者，主功放器以及一个或多个辅助功放器釆用 HVHBT器件并且其它辅助功放器釆用 HEMT器件。将多路功放管芯均集成到功率放大管的同一封装中，保证功率放大管体积小同时提高功放的高效率。

上述方法中，根据功率放大管的功放参数选择 HVHBT器件和 HEMT器件。

在进行 Doherty功放设计时，根据所需的功放参数，确定所用的 HVHBT 功放管芯型号和 HEMT的功放管芯型号；确定 Doherty功放结构（两路还是多路结构），将两种管芯集到同一封装结构中并完成内匹配设计及管壳专封装，使用本 Doherty功放进行信号放大。

应用示例：

针对 2.1GHz UMTS系统应用的功率为 55W峰均比为 6dB Doherty功放设计，需要用到两只独立封装的功放管合计至少 200W以上的饱和功率。结合功放管厂家现有器件，可釆用两个 120W 的 LDMOS 功放管通过对称 Doherty结构实现，按照业界目前的器件水平，其单末级功放效率约 52%左右；而釆用基于本发明实施方式来实现，其单末级功放效率约 58%左右，提高近 12%, 但 PCB设计布局面积可减少近一倍。

和 LDMOS管芯集成到同一个封装中来实现小体积同时提高放大效率。具体应用时可充分利用 HVHBT 功放管芯效率高的优势，将 HVHBT 管芯作为 Doherty放大器的主放大器来实现性能最优。同时利用 LDMOS功放管芯技术成熟度高、成本低廉的优实现成最终实现性能、成本、体积

使其效率指标显著提、

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块 /单元可以釆用硬件的形式实现，也可以釆用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

工业实用性

上述实施方式应用于 Doherty放大器，釆用突破性的全新功放管芯组合方式设计功率管，与现有的全部釆用 LDMOS的功放管芯的 Doherty放大器相比，可在保证功率放大管的 d、体积基础上实现高效率的功率放大。

Claims

权利要求书

1、一种功率放大管，应用于多赫蒂功放装置，该功率放大管包括高压异质结双极晶体管（HVHBT )功放管芯和高电子迁移率晶体管（HEMT )功放管芯，且所述 HVHBT功放管芯和所述 HEMT功放管芯集成在同一封装中。

2、如权利要求 1所述的功率放大管，其中，

所述功率放大管为双路结构放大管时，一路是设置为釆用所述 HVHBT功放管芯并且另一路是设置为釆用所述 HEMT功放管芯。

3、如权利要求 1所述的功率放大管，其中，所述功率放大管为多路结构放大管时，

一路是设置为釆用所述 HVHBT功放管芯并且其余的几路是设置为釆用

HEMT管芯，或者，

4、如权利要求 1-3任一项所述的功率放大管，其中，

所述 HVHBT是基于砷化镓（GaAs ) ,所述 HEMT是基于氮化镓（ GaN )。

5、一种功率放大管，应用于多赫蒂功放装置，所述功率放大管包括辅助功放器和主功放器，其中，

所述功率放大管中辅助功放器和主功放器中，部分功放器设置为釆用高压异质结双极晶体管（HVHBT )器件进行信号功率放大，其它放大器设置为釆用高电子迁移率晶体管（HEMT ) 器件进行信号功率放大。

6、如权利要求 5所述的功率放大管，其中，

所述功率放大管为双路结构放大管时，所述辅助功放器是设置为釆用 HVHBT器件并且所述主功放器是设置为釆用 HEMT器件，或者，所述辅助功放器是设置为釆用 HEMT器件并且所述主功放器是设置为釆用 HVHBT器件。

7、如权利要求 5所述的功率放大管，其中，

所述功率放大管为多路结构放大管时，部分辅助功放器是设置为釆用 HVHBT器件并且其它辅助功放器以及主功放器是设置为釆用 HEMT器件，或者，主功放器是设置为釆用 HVHBT 器件并且辅助功放器是设置为釆用 HEMT器件，或者，主功放器以及部分辅助功放器是设置为釆用 HVHBT器件并且其它辅助功放器是设置为釆用 HEMT器件。

8、如权利要求 5-7任意一项所述的功率放大管，其中，

所述 HVHBT器件是基于砷化镓（GaAs ) 的器件，所述 HEMT器件是基于氮化镓（GaN ) 的器件。

9、一种功率放大方法，包括：

使用高压异质结双极晶体管（ HVHBT )功放管芯和高电子迁移率晶体管 ( HEMT )功放管芯进行信号功率放大，且所述所述 HVHBT功放管芯和所述 HEMT功放管芯集成在功率放大管的同一封装中。

10、如权利要求 9所述的方法，其中，所述功率放大管为双路结构放大管时，一路是设置为釆用所述 HVHBT功放管芯并且另一路是设置为釆用所述 HEMT功放管芯。

11、如权利要求 9所述的方法，其中，所述功率放大管为多路结构放大管时，一路釆用所述 HVHBT功放管芯并且其余的几路釆用所述 HEMT功放管芯，或者，一路釆用所述 HEMT功放管芯并且其余的几路釆用所述 HVHBT 功放管芯。

12、如权利要求 9-11任意一项所述的方法，其还包括：

根据功率放大管的功放参数选择所述 HVHBT器件和所述 HEMT器件。

13、一种功率放大方法，其包括：

14、如权利要求 13所述的方法，其中，所述功率放大管为双路结构放大管时，所述辅助功放器釆用 HVHBT器件并且所述主功放器釆用 HEMT器件，或者，所述辅助功放器釆用 HEMT 器件并且所述主功放器釆用 HVHBT器件。

15、如权利要求 13所述的方法，其中，

所述功率放大管为多路结构放大管时，部分辅助功放器釆用 HVHBT器件并且其它辅助功放器以及主功放器釆用 HEMT器件，或者，主功放器釆用 HVHBT器件并且辅助功放器釆用 HEMT器件，或者，主功放器以及部分辅助功放器釆用 HVHBT器件并且其它辅助功放器釆用 HEMT器件。