WO2012146015A1

WO2012146015A1 - 功率放大装置及功放电路

Info

Publication number: WO2012146015A1
Application number: PCT/CN2011/081480
Authority: WO
Inventors: 崔晓俊; 陈化璋; 刘建利
Original assignee: 中兴通讯股份有限公司
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-11-01
Also published as: EP2704317A1; CN102185564A; US20140035678A1; EP2704317A4

Description

功率放大装置及功放电路

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及通信领域的功率放大装置及功放电路。

背景技术

面对目前日益激烈的市场竟争，基站产品的效率高低已经成为行业竟争的焦点，基站中决定效率的主要部件——功放效率的提升也成了重中之重，业界都纷纷投入进行效率提升技术的研究，目前最为广泛应用的一种成熟技术就是 Doherty技术，功放厂家都已开始批量生产应用 Doherty功放，如何在该技术上进一步提高效率也显得尤为重要。

Doherty技术是由 W.H.Doherty于 1936年发明的，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 (也可称为载波功放，即 Carrier Power Amplifier ) , —个辅助功放 (也称峰值功放，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。主功放后面的 90。四分之一波长线是阻抗变换，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面的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。由于主功放后面有了四分之一波长线，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，当输入信号比较小的时候，只有主功放处于工作状态；当管子的输出电压达到峰值饱和点时，理论上的效率能达到 78.5 %。如果这时候将激励加大一倍，那么，管子在达到峰值的一半时就出现饱和了，效率也达到最大的 78.5 % , 此时辅助功放也开始与主放大器一起工作。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，辅助功放也达到了自己效率的最大点，这样两个功放合在一起的效率就远远高于单个 B类功放的效率。单个 B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)。

由于基站系统对机顶输出功率的要求，射频功放一般增益需求都在几十 dB, 这样一级放大是不够的，一般都需要 3-4级放大，即预推动、推动、末级。目前业界普遍釆用的链路结构为：预推动釆用射频小信号放大器，工作模式为 CLASS A; 推动和末级均釆用同一类型射频功放管（目前业界釆用的是 LDMOS器件），推动的工作模式为 CLASS AB, 末级为 Doherty结构。

随着业界绿色环保理念的提出，运营商对通讯系统的效率要求近乎苛刻，即使釆用了先进的 Doherty技术，功放效率也仍然无法满足其日益提高的要求，因此必须在 Doherty技术的基础上不断改进，来实现效率的不断提升。

传统的射频功放中 Doherty结构只应用于末级，而且推动级及末级均釆用同一类型功放管，这样的优点是：供电电压及偏置方式相同，因此偏置电路设计简单；由于功放管为同类型，其批量生产的离散也相对容易控制。但一个不容忽视的现状是：业界主流的 LDMOS器件已经发展到第八代，其成本低廉，但性能的提升空间非常有限，已远远不能满足绿色环保要求；另夕卜，虽然功放的效率主要由末级确定，末级贡献了 90%的工作电流，进一步提升效率意义重大，但推动级的 10%也越发不可忽视，因此也需要在推动级进行电路改进。

从目前通讯系统不同制式的信号功率谱分布来看，功放输出的 70%-80% 的能量集中在平均功率附近，也就是说，釆用 Doherty技术的末级功放工作电流大部分由 Carrier放大器贡献，因此，将末级的 Carrier放大器的效率提高对整个功放的效率提升意义重大。同时，在推动级部分也进一步提升效率，也能更好地实现整个功放的效率提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种功率放大装置及功放电路，以解决功放效率无法满足要求的问题。为解决以上技术问题，本发明提供了一种功率放大装置，该装置包括一个或多个串联的推动级功放电路以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路，所述推动级功放电路和末级功放电路均釆用 Doherty电路结构。

优选地，所述 Doherty电路结构包括：

功率分配子电路；与所述功率分配子电路输出端连接的一个主放大器和至少一个辅助放大器；

以及与所述主放大器、辅助放大器的输出端连接的功率合成子电路。优选地，在所述推动级功放电路中，所述主放大器和辅助放大器均釆用横向扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS )功放管实现，或所述主放大器釆用高电子迁移率晶体管（HEMT ) 功放管实现，所述辅助放大器釆用 LDMOS功放管实现。

优选地，所述末级功放电路的主放大器釆用高电子迁移率晶体管 ( HEMT )功放管实现主功放功能，辅助放大器釆用 LDMOS功放管实现辅助功放功能。

为解决以上技术问题，本发明提供了另一种功率放大装置，该装置包括一个或多个串联的推动级功放电路以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路，所述推动级功放电路和末级功放电路均釆用 Doherty 电路结构，所述推动级功放电路均釆用横向扩散金属氧化物半导体场效应管 ( LDMOS )功放管实现 Doherty电路结构的主（ Carrier )放大器和辅助（ Peak ) 放大器，所述末级功放电路釆用高电子迁移率晶体管（HEMT ) 功放管实现 Doherty电路结构的主（ Carrier )放大器，釆用扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS ) 实现辅助（Peak )放大器。

为解决以上技术问题，本发明提供了再一种功率放大装置，该装置包括一个或多个串联的推动级功放电路以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路，所述推动级功放电路和末级功放电路均釆用 Doherty 电路结构，所述推动级功放电路和末级功放电路釆用高电子迁移率晶体管 ( HEMT )功放管实现 Doherty电路结构的主（ Carrier )放大器，釆用扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS ) 实现辅助（Peak )放大器。

为解决以上技术问题，本发明还提供了一种功率放大装置的功放电路，所述功放电路釆用 Doherty 电路结构，釆用高电子迁移率晶体管（ HEMT ) 功放管实现 Doherty 电路结构的主（Carrier )放大器，釆用扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS ) 实现辅助（Peak )放大器。

优选地，所述功放电路是所述功率放大装置的推动级或末级。

为解决以上技术问题，本发明提供了另一种功率放大装置的功放电路，所述功放电路包括：

功率分配子电路；

与所述功率分配子电路输出端连接的主放大器，所述主放大器釆用高电子迁移率晶体管（HEMT )功放管实现主功放功能；

至少一个与所述功率分配子电路输出端连接的辅助放大器，所述辅助放大器釆用扩散金属氧化物半导体场效应管（ LDMOS )功放管实现辅助功放功能；

以及与所述主放大器、辅助放大器的输出端连接的功率合成子电路。优选地，所述功放电路是所述功率放大装置的推动级或末级。

本发明实施例功率放大装置及功放电路釆用 Doherty技术，并给出了 Carrier放大器和 Peak放大器的全新组合，相比于现有技术，提升了功率放大的效率。附图概述

图 1为传统的 Doherty功率放大器框图；

图 2 为 Doherty电路结构的原理框图；

图 3为本发明实施例 1的原理框图；

图 4为本发明实施例 2的原理框图；

图 5为本发明实施例 3的原理框图；图 6为本发明实施例 4的原理框图。

本发明的较佳实施方式

本发明功率放大装置在推动级功放电路和功放电路均釆用高效率的 Doherty电路结构，从而提升功率放大装置的效率。

与本发明特别相关地，本发明功率放大装置包括一个或多个串联的推动级功放电路（Driver Stage Power Amplifier) , 以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路（Final Stage Power Amplifier ) , 特别地，本发明中，该推动级功放电路釆用 Doherty电路结构。

具体地，如图 2所示，该 Doherty电路结构包括：功率分配子电路 10、与所述功率分配子电路 10输出端连接的一个主放大器 20和至少一个辅助放大器 30, 以及与所述主放大器、辅助放大器的输出端连接的功率合成子电路 40。

可理解地，主放大器 20 , 也称 Carrier (载波）放大器，提供主要的功率放大的功能，如持续提供功放。辅助放大器也称 Carrier (载波）放大器，提供辅助的功率放大功能，比如仅在特定条件下（如达到预设峰值）工作。如图 1所示，功率分配子电路 10包括功率分配、 90度四分之一波长线、相位补偿线等一系列功能器件，功率合成子电路 40包括 90度四分之一波长线、相位补偿线、阻抗变换等一系列功能器件，器件的具体类型、型号和连接关系根据具体的实现需求，进行设计、选择及匹配，本发明对此不做限定。

主放大器和辅助放大器可以釆用多种类型的功放管实现，优选地，均釆用横向扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS , Lateral double-diffused metal-oxide semiconductor ) 功放管实现，或，主放大器釆用高电子迁移率晶体管（HEMT )功放管实现，辅助放大器釆用 LDMOS功放管实现。

现有技术中，末级功放电路也釆用如图 2所示的 Doherty结构电路实现，优选地，釆用高电子迁移率晶体管（HEMT ) 功放管实现主功放功能，釆用 LDMOS功放管实现辅助功放功能。

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。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组合。

实施例 1

功率放大装置实施例 1如图 3所示，在该实施例 1中，推动级釆用两路的 Doherty结构电路，且釆用 LDMOS功放管实现主功放功能及辅助功放功能，末级釆用两路的 Doherty结构电路，且釆用高电子迁移率晶体管（ HEMT ) 功放管实现主功放功能，釆用 LDMOS功放管实现辅助功放功能。

具体地，推动级放大部分釆用 Doherty电路结构实现，其 Carrier放大器和 Peak 放大器均使用横向扩散金属氧化物半导体场效应管（Lateral double-diffused metal-oxide semiconductor, LDMOS , 基于 Si )功放管；

在推动级釆用 Doherty电路的同时在末级也釆用全新组合的两路 Doherty 电路结构实现。

对于末级的两路结构的 Doherty (含传统的两路对称 Doherty、非对称 Doherty等）以及在此基础上演变的一个 Carrier加一个 Peak的架构，通过釆用 HEMT ( High Electron Mobility Transistor,高电子迁移率晶体管，基于 GaN (氮化镓））功放管来作为 Carrier放大器，用 LDMOS ( Lateral double-diffused metal-oxide semiconductor, 横向扩散金属氧化物半导体场效应管，基于 Si ) 功放管来作为 Peak放大器以实现效率提升。

实施例 2

功率放大装置的实施例 2如图 4所示，在该实施例 2中，推动级釆用两路的 Doherty结构电路，且釆用 LDMOS功放管实现主功放功能及辅助功放功能，末级釆用两路的 Doherty 结构电路，且釆用高电子迁移率晶体管 ( HEMT )功放管实现主功放功能，釆用 LDMOS功放管实现辅助功放功能。

具体地，推动级放大部分釆用 Doherty电路结构实现，其 Carrier放大器和 Peak放大器均使用 LDMOS功放管；

在推动级釆用 Doherty电路的同时在末级也釆用全新组合的多路 Doherty 电路结构实现。

对于末级的多路结构的 Doherty以及在此基础上演变的一个 Carrier放大器加多个 Peak放大器的架构，通过釆用高电子迁移率晶体管（HEMT )功放管来作为 Carrier放大器，用 LDMOS功放管来作为多个 Peak放大器以实现效率提升。

实施例 3

功率放大装置的实施例 3如图 5所示，在该实施例 3与实施例 1的电路结构相同，不同之处在于，推动级釆用高电子迁移率晶体管（HEMT ) 功放管实现主功放功能，釆用 LDMOS功放管实现辅助功放功能。

实施例 4

功率放大装置的实施例 4如图 6所示，在该实施例 4与实施例 2的电路结构相同，不同之处在于，推动级釆用高电子迁移率晶体管（HEMT ) 功放管实现主功放功能，釆用 LDMOS功放管实现辅助功放功能。

该发明的关键点为：推动级釆用了高效率的 Doherty电路结构，实现推利用 HEMT功放管效率高的优势，将其作为 Carrier放大器来提高效率，实现性能最优；并利用 LDMOS功放管技术成熟度高、成本低廉、器件种类齐全的优势，将其作为 Peak放大器来实现成本最优，最终实现性能与成本的完美结合。

釆用本发明所述方法和装置，与现有的推动级釆用 CLASS AB模式，末级 Carrier, Peak放大器均釆用 LDMOS的 Doherty功放相比，整个功放效率可大幅提升；

LDMOS 器件发展非常成熟，中功率器件种类齐全，成本低廉。推动釆用 LDMOS器件 +Doherty结构，既提升了效率，又保证了成本；

由于目前 GaN的 HEMT功放管较 Si的 LDMOS成本高 5-10倍，因此本发明所述方法和装置中的末级功放部分与 Carrier , Peak 放大器均釆用 LDMOS的末级 Doherty功放相比，在性能提升的同时成本也会下降；

另外，由于 LDMOS发展非常成熟，各厂家产品较为齐全，不同功率等级的产品种类众多，应用时可才艮据不同功率等级釆用不同型号 LDMOS产品来作为 Peak放大器，与釆用 HEMT功放管的 Carrier放大器灵活组合，并根据需要釆用不同 Doherty结构（对称、非对称、多路等）来实现，这样既兼顾了成本、性能，又保证了使用的便利性、灵活性。

实现本发明功率放大装置的具体实施步骤包括：

1、根据不同的实现需求，先确定末级 Carrier放大器所用的 HEMT功放管型号；

2、根据不同的实现需求，对比分析确定釆用的 Doherty结构；

3、根据不同的实现需求，确定出末级 Peak放大器所用的 LDMOS功放管型号；

4、根据末级增益，确定出推动级 Carrier放大器所用的 HEMT功放管或 LDMOS功放管的型号、 Peak放大器所用 LDMOS功放管的型号；

5、完成末级、推动级放大管的匹配设计以及框图中的功率分配、功率合成部分的设计；

6、完成本发明所述装置的其余部分设计。

具体实例如下：针对 2.1GHz UMTS系统应用（ PAR: 6dB )的 85W Doherty 功放设计，需要用到两只功放管合计至少 360W以上的饱和功率来进行末级设计。结合功放管厂家现有器件，可釆用两个 200W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；而釆用基于本发明的方法实现（Carrier放大器用 200W的 HEMT功放管， Peak放大器用 200W的 LDMOS功放管），其单末级功放效率约 55%左右，提高近 6%; 而釆用两个 HEMT功放管实现的话，单末级功放效率也是约 55%左右，但成本至少要比基于本发明的方法实现高 5-10倍。

对于 Doherty推动设计，由于末级至少要釆用 360W以上的饱和功率，目前 2.1GHz的末级功放 Doherty增益在 16dB左右，因此，推动级可釆用两个 10W的 LDMOS功放管来实现 Doherty推动级放大部分设计，这样，比原来的 CLASS AB设计，推动级效率还能提升 20%左右（如：釆用 CLASS AB 设计推动级的效率在 15%, 釆用 Doherty设计则可达到 18% ) 。因此，釆用本发明所述的方法及装置，在保证成本的前提下，效率将大幅提升。

本发明还提供了一种功率放大装置的功放电路，所述功放电路釆用

Doherty电路结构，釆用高电子迁移率晶体管（ HEMT )功放管实现 Doherty 电路结构的主（Carrier ) 放大器，釆用扩散金属氧化物半导体场效应管 ( LDMOS )实现辅助（Peak )放大器。具体地，所述功放电路可以是功率放大装置的推动级或末级，具体包括：

功率分配子电路 10;

与所述功率分配子电路输出端连接的主放大器 20,所述主放大器釆用高电子迁移率晶体管（HEMT ) 功放管实现主功放功能；

至少一个与所述功率分配子电路输出端连接的辅助放大器 30 ,所述辅助放大器釆用扩散金属氧化物半导体场效应管（ LDMOS )功放管实现辅助功放功能；

以及与所述主放大器、辅助放大器的输出端连接的功率合成子电路 40。综上所述，本发明的实现简单，设计及调试方便、灵活且成本低廉，同一技术领域的技术人员按照本说明书能够很容易地实现。在 Doherty功放的工作频带范围内可使其效率指标显著提升，本装置可广泛的应用于各种 Doherty功率放大器的设计中。

本发明的目的就是通过在釆用 Doherty技术的末级功放中对 Carrier放大器和 Peak放大器进行全新组合，釆用新的组合架构来提升推动级或末级的 Carrier放大器的效率；在推动级釆用高效率电路结构，从两个方面来实现整个 Doherty功放效率的大幅提升。

工业实用性

本发明实施例功率放大装置及功放电路釆用 Doherty技术，并给出了

Carrier放大器和 Peak放大器的全新组合，相比于现有技术，提升了功率放大的效率。

Claims

权利要求书

1、一种功率放大装置，该装置包括一个或多个串联的推动级功放电路以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路，其中，所述推动级功放电路和末级功放电路均釆用 Doherty电路结构。

2、如权利要求 1所述的功率放大装置，其中，所述 Doherty电路结构包括：

功率分配子电路；

与所述功率分配子电路输出端连接的一个主放大器和至少一个辅助放大器；

以及与所述主放大器、辅助放大器的输出端连接的功率合成子电路。

3、如权利要求 2 所述的功率放大装置，其中，在所述推动级功放电路中，所述主放大器和辅助放大器均釆用横向扩散金属氧化物半导体场效应管 ( LDMOS )功放管实现，或所述主放大器釆用高电子迁移率晶体管 ( HEMT ) 功放管实现，所述辅助放大器釆用 LDMOS功放管实现。

4、如权利要求 2 所述的功率放大装置，其中，所述末级功放电路的主放大器釆用高电子迁移率晶体管（HEMT )功放管实现主功放功能，辅助放大器釆用 LDMOS功放管实现辅助功放功能。

5、一种功率放大装置，该装置包括一个或多个串联的推动级功放电路以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路，其中，所述推动级功放电路和末级功放电路均釆用 Doherty电路结构，所述推动级功放电路均釆用横向扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS ) 功放管实现 Doherty电路结构的主（Carrier )放大器和辅助（Peak )放大器，所述末级功放电路釆用高电子迁移率晶体管（HEMT )功放管实现 Doherty 电路结构的主（Carrier )放大器，釆用扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS )实现辅助（Peak )放大器。

6、一种功率放大装置，该装置包括一个或多个串联的推动级功放电路以及与最后一个推动级功放电路的输出端连接的末级功放电路，其中，所述推动级功放电路和末级功放电路均釆用 Doherty电路结构，所述推动级功放电路和末级功放电路釆用高电子迁移率晶体管（ HEMT )功放管实现 Doherty 电路结构的主（Carrier ) 放大器，釆用扩散金属氧化物半导体场效应管 ( LDMOS ) 实现辅助（ Peak )放大器。

7、一种功率放大装置的功放电路，其中，所述功放电路釆用 Doherty电路结构，釆用高电子迁移率晶体管（HEMT )功放管实现 Doherty 电路结构的主（Carrier )放大器，釆用扩散金属氧化物半导体场效应管（ LDMOS ) 实现辅助（Peak )放大器。

8、如权利要求 7 所述的功放电路，其中，所述功放电路是所述功率放大装置的推动级或末级。

9、一种功率放大装置的功放电路，所述功放电路包括：

功率分配子电路；

10、如权利要求 9所述的功放电路，其中，所述功放电路是所述功率放大装置的推动级或末级。