CN102158176A - 一种多赫蒂功放装置及功率放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多赫蒂功放装置及功率放大方法，本装置包括峰值功放装置和主功放装置，所述峰值功放装置用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件进行信号功率放大；所述主功放装置用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行信号功率放大。本发明采用HEMT器件作为主功放。采用本发明，与现有的主功放和辅助功放均采用LDMOS的Doherty功放相比，可提升Doherty功放中主功放的功放效率从而使整个Doherty功放的功放效率得到大幅提升。

Description

一种多赫蒂功放装置及功率放大方法

技术领域

本发明涉及射频功率放大器设计技术领域，尤其涉及一种多赫蒂功放装置及功率放大方法。

背景技术

面对目前日益激烈的市场竞争，基站产品的效率高低已经成为行业竞争的重要参考点，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，业界纷纷投入人力物力进行效率提升技术的研究，目前最为广泛应用技术中包括多赫蒂（Doherty）技术，功放厂家都已开始批量生产和应用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，一个辅助功放，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***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）。

Doherty功放中主功放和峰值功放（辅助功放）均采用同一类型功放管，目前业界采用最多的是横向扩散金属氧化物半导体LDMOS（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，简称LDMOS）器件。采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；由于功放管为同类型，其批量生产也相对容易控制。但业界主流的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，同时也不能满足绿色环保要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多赫蒂功放装置及功率放大方法，提高多赫蒂功放装置的功放效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多赫蒂功放装置，包括峰值功放装置和主功放装置，所述峰值功放装置用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件进行信号功率放大；所述主功放装置用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行信号功率放大。

进一步地，所述装置还可以具有以下特点：

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种功率放大方法，包括：在多赫蒂功放装置中，采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件进行峰值功放装置的信号功率放大，采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行主功放装置信号功率放大。

进一步地，所述方法还可以具有以下特点：

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

进一步地，所述方法还可以具有以下特点：

根据多赫蒂功放装置的功放参数选择所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种主功放装置，用于多赫蒂功放装置，所述主功放装置用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行信号功率放大。

进一步地，所述主功放装置还可以具有以下特点：

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种功率放大方法，包括：在多赫蒂功放装置中，采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行主功放装置信号功率放大。

进一步地，所述方法还可以具有以下特点：

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

进一步地，所述方法还可以具有以下特点：

根据多赫蒂功放装置的功放参数选择所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件。

本发明采用HEMT器件作为主功放。采用本发明，与现有的主功放和辅助功放均采用LDMOS的Doherty功放相比，可提升Doherty功放中主功放的功放效率从而使整个Doherty功放的功放效率得到大幅提升。

由于目前GaN功放管较基于Si的LDMOS成本高5-10倍，因此本发明所述方法和装置与主功放和辅助功放均采用GaN的Doherty功放相比，在性能提升的同时成本会大幅下降。

另外，由于LDMOS发展非常成熟，各厂家产品较为齐全，不同频段、不同功率等级的产品种类众多，应用时可根据不同功率等级采用不同型号LDMOS产品来作为Peak放大器，与采用GaN功放管的Carrier放大器灵活组合，并根据需要采用不同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。

附图说明

图1是现有技术中传统Doherty功率放大器的结构图；

图2是实施例中两路结构Doherty功率放大器的结构图；

图3是实施例中多路结构Doherty功率放大器的结构图。

具体实施方式

从目前通讯***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，即功放的工作电流大部分由主功放贡献，因此，将主功放的效率提高对整个功放的效率提升意义重大。

本发明中多赫蒂（Doherty）功放中的主功放装置用于采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。

高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

对应的功率放大方法包括：在Doherty功放装置中，采用HEMT器件进行主功放装置信号功率放大。HEMT器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

根据Doherty功放装置的功放参数选择HEMT器件。Doherty功放装置的功放参数包括：工作频率、功率值和峰均比。

本发明中Doherty功放装置，包括峰值功放装置和主功放装置。所述峰值功放装置用于采用LDMOS器件进行信号功率放大；所述主功放装置用于采用HEMT器件进行信号功率放大。

HEMT器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

对应的功率放大方法包括：在Doherty功放装置中，采用LDMOS器件进行峰值功放装置的信号功率放大，采用HEMT器件进行主功放装置信号功率放大。HEMT器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

对于两路Doherty功放（含传统的两路对称Doherty、非对称Doherty结构）以及在此基础上演变得到的一个主放大器加一个峰值放大器的结构，将HEMT功放管作为主放大器，将LDMOS功放管作为峰值放大器。

对于多路Doherty功放以及在此基础上演变得到的一个主放大器加多个峰值放大器的结构，将HEMT功放管作为主放大器，将LDMOS功放管作为峰值放大器。

根据Doherty功放装置的功放参数选择所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件。Doherty功放装置的功放参数包括：工作频率、功率值和峰均比。

在进行Doherty功放设计时，根据所需的功放参数，确定主放大器所用的HEMT功放管型号；确定Doherty功放结构（两路还是多路结构），确定峰值放大器所用的LDMOS功放管型号；完成放大器的匹配设计以及框图中的功率分配、功率合成部分的设计；完成Doherty功放的其余部分设计。

本发明中适用的Doherty功放装置中包括功率分配模块和功率合成模块，功率分配模块负责为主功放和峰值功放分别分配输入信号的功能，针对图1所示的传统Doherty功放，功率分配模块包括峰值功放输入端以及主功放输入端至整体Doherty功放的输入端（RFin）之间的组成部分。功率合成模块负责将主功放输出的放大信号和峰值功放的放大信号进行合成的功能，针对图1所示的传统Doherty功放，功率合成模块包括峰值功放输出端以及主功放输出端至整体Doherty功放的输出端（RFout）之间的组成部分。功率分配模块和功率合成模块不局限于图1所示的传统Doherty功放中的结构，在本发明所适用的其它结构的Doherty功放中对应于执行相应的功率分配功能的电路布局和执行相应的功率合成功能的电路布局。

具体应用举例：

针对2.1GHz UMTS***应用的功率为85W峰均比为6dB 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。结合功放管厂家现有器件，可采用两个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。而采用基于本发明的方法实现，主放大器采用200W的HEMT功放管，峰值放大器采用200W 的LDMOS功放管，其单末级功放效率约55%左右，提高功放效率。如果主放大器和峰值放大器均采用HEMT功放管的话，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倍左右。

本发明采用突破性的全新组合方式，充分利用HEMT功放管效率高的优势，将其作为主放大器来提高效率，实现性能最优；同时利用LDMOS功放管技术成熟度高、成本低廉、器件种类齐全的优势，将其作为峰值放大器来实现成本最优，最终实现性能与成本的完美结合。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。

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情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，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/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采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。

Claims (10)

1.一种多赫蒂功放装置，包括峰值功放装置和主功放装置，其特征在于，

所述峰值功放装置，用于采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件进行信号功率放大；

所述主功放装置，用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行信号功率放大。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

3.一种功率放大方法，其特征在于，

在多赫蒂功放装置中，采用横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件进行峰值功放装置的信号功率放大，采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行主功放装置信号功率放大。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

根据多赫蒂功放装置的功放参数选择所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件。

6.一种主功放装置，用于多赫蒂功放装置，其特征在于，

所述主功放装置，用于采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行信号功率放大。

7.如权利要求6所述的主功放装置，其特征在于，

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

8.一种功率放大方法，其特征在于，

在多赫蒂功放装置中，采用高电子迁移率晶体管（HEMT）器件进行主功放装置信号功率放大。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是基于氮化镓（GaN）的器件。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

根据多赫蒂功放装置的功放参数选择所述高电子迁移率晶体管（HEMT）器件。

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