CN107733372A - 一种宽带多尔蒂功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带多尔蒂功率放大器，其结构包括一个3dB电桥、A延迟线和B延迟线、A输入匹配电路和B输入匹配电路、载波放大器和峰值放大器，A双匹配电路和B双匹配电路、特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线以及特性阻抗R0传输线。本发明的优点：可以使多尔蒂功率放大器在一个较宽的工作带宽工作。且本发明载波放大器和峰值放大器采用相同的GAN功率管，以配合电路实现宽的工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带多尔蒂功率放大器，属于无线通信技术领域。
背景技术
5G通信的关键技术包括载波聚合技术、毫米波技术、Massive MIMO和波束成形技术，5G时代的三大核心技术对基站射频功率器件提出的要求有：高频率、高效率、宽带宽、宽带信号高线性度、小尺寸、良好的散热能力、可在多种电压域下进行工作。在5G发展初期，将Sub-6GHz（3.4-3.8GHz、4.8-5.0GHz）的频谱资源作为研究的前沿阵地，在现有4G空口的基础上进行技术创新，满足5G应用场景的需求。GaN是有可能满足5G通信关键技术的唯一普及的技术：GaN功率放大器已经能处理50GHz或以上的毫米波频率；GaN功率放大器支持更高的带宽，即使在较高的频率也是如此。
多尔蒂功率放大器技术在1936由多尔蒂提出，多尔蒂功率放大器技术是目前提高功率放大器效率的一种常用技术。多尔蒂功率放大器的基本思想是利用一对放大器的并行组合来对信号进行放大，其中载波放大器工作于AB类，峰值放大器工作于C类，C类放大器只有在峰值到来时才导通，两个放大器由输入功率分配器和输出合路器连接。
随着移动通信技术的发展，经典多尔蒂功率放大器的带宽性能限制了它的应用，特别是即将到来的5G移动通信。以3.5GHz频段为例，工作带宽达到近500MHz，而经典多尔蒂功率放大器仅能实现约200MHz左右的工作带宽，因此多尔蒂型放大器的宽频带化成为课题。
经典多尔蒂功率放大器设计如图1所示，当多尔蒂功率放大器饱和工作时，载波放大器6和峰值放大器7经过互相的有源牵引，可以工作在一个比较理想的工作带宽范围内。当多尔蒂功率放大器小信号回退工作时，峰值放大器7不工作，峰值放大器7开路阻抗经过输出匹配9和补偿线11变换后在特性阻抗为RT的λ/4阻抗变换线13的输入端呈现高阻状态，载波放大器6回退小信号阻抗经过输出匹配8、补偿线10和特性阻抗为R0的λ/4阻抗变换线12变换后在特性阻抗为RT的λ/4阻抗变换线13的输入端呈现理想的高效率工作阻抗点，但载波放大器6实际回退信号工作时，受到各阻抗变换电路窄带效应的影响，只能工作在比较窄的工作带宽内。主要影响的阻抗变换电路包括以下几个方面：特性阻抗为R0的λ/4阻抗变换线12；特性阻抗为RT的λ/4阻抗变换线13；峰值放大器7开路阻抗经过输出匹配9和补偿线11变换后在特性阻抗为RT的λ/4阻抗变换线13的输入端呈现高阻状态带宽有限，从而影响了载波放大器6回退工作时的阻抗稳定性，导致工作带宽变窄。
载波放大器后特性阻抗为R0的λ/4阻抗变换线；合路点处特性阻抗为RT的λ/4阻抗变换线；多尔蒂功率放大器在回退小信号工作时，只有AB类的载波放大器工作，C类峰值放大器在合路点处的阻抗呈现开路状态，但通常并非在宽带宽范围内理想开路，从而导致载波放大器回退小信号工作带宽窄。
发明内容
本发明提出的是一种宽带多尔蒂功率放大器，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，使多尔蒂功率放大器在一个较宽的工作带宽工作。
本发明的技术解决方案为：多尔蒂功率放大器，其结构包括一个3dB电桥1、A延迟线2和B延迟线3、A输入匹配电路4和B输入匹配电路5、载波放大器6和峰值放大器7，A双匹配电路8和B双匹配电路9、特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线10以及特性阻抗R0传输线11。
本发明的优点：可以使多尔蒂功率放大器在一个较宽的工作带宽工作。且本发明载波放大器和峰值放大器采用相同的GAN功率管，以配合电路实现宽的工作带宽。
附图说明
图1是宽带多尔蒂功率放大器框图。
图2是载波放大器输出双匹配史密斯阻抗变换示意图。
图3是峰值放大器输出双匹配阻史密斯抗变换示意图。
图4是多尔蒂功率放大器回退工作输出端S参数仿真结果示意图。
具体实施方式
如附图所示，多尔蒂功率放大器，其结构包括一个3dB电桥1、A延迟线2和B延迟线3、A输入匹配电路4和B输入匹配电路5、载波放大器6和峰值放大器7，A双匹配电路8和B双匹配电路9、特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线10以及特性阻抗R0传输线11。
所述3dB电桥1的0°输出端接B延迟线3的一端，B延迟线3的另一端接B输入匹配电路5的信号输入端，B输入匹配电路5的信号输出端通过峰值放大器7接B双匹配电路9的信号输入端，B双匹配电路9的信号输出端接特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线10的一端，特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线10的另一端接特性阻抗R0传输线11的一端，特性阻抗R0传输线11的另一端接R0负载；
3dB电桥1的90°输出端接A延迟线2的一端，A延迟线2的另一端接A输入匹配电路4的信号输入端，A输入匹配电路4的信号输出端通过载波放大器6接A双匹配电路8的信号输入端，A双匹配电路8的信号输出端接特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线10的一端，特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线10的另一端接特性阻抗R0传输线11的一端。
所述3dB电桥1输入端由于接收射频输入信号，隔离端接50欧姆负载，一个0°输出端用于A延迟线2接输入端，一个相位延迟90°的输出端B延迟线3的输入端，电桥的两个输出端信号幅度相等，相位相差90°。
A延迟线2用于调整该线路的绝对相位，延迟线特性阻抗为50欧姆，输出端接A输入匹配电路4的输入端。
B延迟线3用于调整该线路的绝对相位，延迟线特性阻抗为50欧姆，输出端接B输入匹配电路5的输入端。
A输入匹配电路4用于载波功率放大器的输入阻抗至50欧姆，采用微带线匹配即分布参数的形式实现，A输入匹配电路4的输出端接载波放大器6的输入端。
B输入匹配电路5用于峰值功率放大器的输入阻抗至50欧姆，采用微带线匹配即分布参数的形式实现，B输入匹配电路5的输出端接峰值放大器7的输入端。
载波放大器6和峰值放大器7用于接收和放大输入的射频信号，均采用同样尺寸和性能指标的GAN功率管，以配合匹配电路实现宽带工作的性能，GAN功率管的漏极工作电压均为48V。
A双匹配电路8的输入端接载波放大器6的输出端，用于将载波放大器回退工作阻抗Z_M_L和饱和工作阻抗Z_M_H分别匹配至Z_M_L1(R0)和Z_M_H1(2R0)，A输出双匹配8的阻抗变换过程如图2所示。采用微带线匹配即分布参数的形式实现双匹配电路，输出端接特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线，双匹配电路增加了载波放大器6回退和饱和工作时的工作带宽。
B双匹配电路9的输入端接峰值放大器7的输出端，用于峰值放大器回退工作阻抗Z_P_L和饱和工作阻抗Z_P_H分别匹配至Z_P_L1(短路点)和Z_P_H1(2R0)，B输出双匹配9的阻抗变换过程如图3所示。采用微带线匹配即分布参数的形式实现双匹配电路，双匹配电路增加了峰值放大器7回退和饱和工作时的工作带宽。
特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线10的输入端接B双匹配电路9的输出端，用于将峰值放大器输出双匹配后的回退工作短路阻抗Z_P_L1变换至开路阻抗Z_P_L2和保持饱和工作阻抗Z_P_H1(2R0)不变。同时特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线10的具有高阻特性，减少了载波放大器回退小信号工作时通过合路点处的功率泄露，增加了载波放大器回退小信号工作时的阻抗稳定性。
特性阻抗R0传输线11的输入端同时接特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线10和双匹配电路8的输出端，输出端端接负载R0，特性阻抗R0传输线11的特性阻抗R0和负载相同，不存在阻抗变换，故具有宽带效应。
输出负载R0为50欧姆时，则传输线的特性阻抗为50欧姆，特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线10的特性阻抗均为100欧姆，A输出双匹配8将载波放大器回退工作阻抗Z_M_L和饱和工作阻抗Z_M_H分别匹配至50欧姆和100欧姆，B双匹配电路9将峰值放大器回退工作阻抗Z_P_L和饱和工作阻抗Z_P_H分别匹配至短路点和100欧姆。
图4给出了多尔蒂功率放大器在小信号回退工作时的阻抗匹配仿真结果，结果显示，该电路在输出负载端的S参数小于-25dB时工作带宽达到近400MHz，满足Pre-5G基站多尔蒂功率放大器对工作带宽的要求。
综上，主要通过设计多尔蒂功率放大器的输出匹配和阻抗变换电路，可以使放大器在一个较宽的工作带宽工作，主要体现在六个方面：
（1）通过载波放大器和峰值放大器的输出双匹电路实现宽工作带宽；
（2）去除载波放大器输出端的λ/4阻抗变换线，减小小信号回退工作时的窄带效应；
（3）增加峰值放大器输出端的λ/4阻抗变换线，增强载波放大器小信号工作时的阻抗稳定性和减小载波放大器的功率泄露；
（4）合路输出的λ/4阻抗变换线特性阻抗与负载阻抗相同，呈现宽带传输效应；
（5）3dB电桥相位延迟90°的输出端接载波放大器支路，以平衡载波放大器支路和峰值放大器支路的相位；
（6）载波放大器和峰值放大器采用相同的GAN功率管，以配合电路实现宽的工作带宽。
Claims (9)
1.多尔蒂功率放大器，其特征是包括一个3dB电桥、A延迟线和B延迟线、A输入匹配电路和B输入匹配电路、载波放大器和峰值放大器，A双匹配电路和B双匹配电路、特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线以及特性阻抗R0传输线。
2.根据权利要求1所述的多尔蒂功率放大器，其特征是所述3dB电桥的0°输出端接B延迟线的一端，B延迟线的另一端接B输入匹配电路的信号输入端，B输入匹配电路的信号输出端通过峰值放大器接B双匹配电路的信号输入端，B双匹配电路的信号输出端接特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线的一端，特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线的另一端接特性阻抗R0传输线的一端，特性阻抗R0传输线的另一端接R0负载；
3dB电桥的90°输出端接A延迟线的一端，A延迟线的另一端接A输入匹配电路的信号输入端，A输入匹配电路的信号输出端通过载波放大器接A双匹配电路的信号输入端，A双匹配电路的信号输出端接特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线的一端，特性阻抗2R0的λ/4阻抗变换线的另一端接特性阻抗R0传输线的一端。
3.根据权利要求1所述的一种宽带多尔蒂功率放大器，其特征是所述3dB电桥输出延迟90°的信号作为载波放大器支路延迟线的输入信号，输出延迟0°的信号作为峰值放大器支路延迟线的输入信号。
4.根据权利要求1所述的一种宽带多尔蒂功率放大器，其特征是所述载波放大器和峰值放大器是采用相同的GAN功率管，工作电压均为48V，以配合输出匹配电路实现宽带工作。
5.根据权利要求1所述的一种宽带多尔蒂功率放大器，其特征是所述载波放大器输出双匹配电路是将载波放大器回退工作阻抗和饱和工作阻抗分别匹配至R0和2R0。
6.根据权利要求1所述的一种宽带多尔蒂功率放大器，其特征是所述峰值放大器输出双匹配电路是将峰值放大器回退工作阻抗和饱和工作阻抗分别匹配至短路和2R0。
7.根据权利要求1所述的一种宽带多尔蒂功率放大器，其特征是所述λ/4阻抗变换线是阻抗线在峰值放大器支路，且特性阻抗为2R0。
8.根据权利要求1所述的一种宽带多尔蒂功率放大器，其特征是所述传输线是特性阻抗和负载阻抗相同，均为R0。
9.根据权利要求5-8所述的一种宽带多尔蒂功率放大器，其特征是载波放大器输出双匹配电路、峰值放大器输出双匹配电路、延迟线、λ/4阻抗变换线、传输线组合而成匹配网络仍满足多尔蒂功率放大器回退小信号工作和饱和工作时的阻抗匹配要求。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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