CN113258881A - 一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器，其包括功分器、载波功放相位补偿线、载波功放模块、峰值功放模块、后匹配网络和负载阻抗，后匹配网络输出端利用阶梯阻抗变换线结构连接负载阻抗，峰值功放模块抑制二次谐波，省略了传统后匹配型Doherty功放的峰值功放补偿线，实现峰值功放模块饱和功率和高效率，进而克服功率放大器消耗功率较大的问题，后匹配网络输出端利用阶梯阻抗变换线结构连接负载阻抗，使Doherty功率放大器结构简单易于设计。
Description
技术领域
本发明涉及微波功率放大器领域，尤其涉及一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器。
背景技术
随着现代无线通信技术的高速发展，调制信号的峰均比越来越高，在这样的背景下，Doherty功率放大器因其能够有效提升回退工作时的效率而引起了广泛的关注和研究。
传统Doherty功率放大器因其四分之一波长线带来的带宽限制，使得所设计的Doherty功率放大器只能在很窄的带宽范围内进行工作，这不满足我们当今的无线通信技术宽频带的发展需求。近年来，后匹配型Doherty功率放大器被提出，这种后匹配型Doherty功率放大器不仅省略了传统的四分之一波长线，还为载波功放的双阻抗匹配设计提供了更多样化的设计，为提高功率回退点处的效率提供了更多的设计可能性。
目前主流的后匹配型Doherty功率放大器的设计主要包括对称型Doherty和非对称型Doherty功率放大器，非对称设计思路为扩大Doherty功率放大器的功率回退区间提供了更大的选择，目前市场上主流的非对称大功率回退的Doherty功率放大器都是利用两个功率比相差较大的晶体管进行设计，从而得到一个很大的功率回退区间，这种方式无疑增加了设计成本和功率的浪费，所以，设计一种成本低、功率比低、功率回退范围大的Doherty功率放大器成了重要的研究热点。
发明内容
本发明提供一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器，以克服功率放大器消耗功率较大的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器，其特征在于，包括：功分器、载波功放相位补偿线、载波功放模块、峰值功放模块、后匹配网络和负载阻抗；
所述功分器的输出端连接所述载波功放相位补偿线输入端和所述峰值功放模块输入端，所述载波功放相位补偿线输出端连接所述载波功放模块输入端，所述载波功放模块输出端和所述峰值功放模块输出端连接所述后匹配网络输入端，所述后匹配网络输出端利用阶梯阻抗变换线结构连接所述负载阻抗；
所述载波功放模块包括载波输入匹配网络、载波放大器和载波输出匹配网络，所述载波输入匹配网络输入端与所述载波功放相位补偿线输出端相连，所述载波输入匹配网络输出端与所述载波放大器的栅极相连，所述载波输出匹配网络与所述载波放大器的漏级相连；
所述峰值功放模块包括峰值输入匹配网络、峰值放大器和峰值输出匹配网络，所述峰值输入匹配网络输入端与所述功分器输出端相连，所述峰值输入匹配网络输出端与所述峰值放大器的栅极相连，所述峰值输出匹配网络输入端与所述峰值放大器的漏级相连。
进一步的，所述功分器包含第一端口、第二端口、第三端口、第一欧姆线TL1、第一微带线TL2、第二微带线TL3、第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2、第一电阻R1，第一端口与第一欧姆线TL1一端相连，第一欧姆线TL1另一端分别与第一微带线TL2一端和第二微带线TL3一端相连，第一微带线TL2另一端分别与第一电阻R1一端、第一电容C1一端和第一电感L1一端相连，第二微带线TL3另一端分别与第一电阻R1另一端和第二电感L2一端相连，第一电感L1另一端与第二端口相连，第二电感L2另一端分别与第二电容C2和第三端口相连。
进一步的，载波输入匹配网络与峰值输入匹配网络利用微带线与电容并联；第三电容C3与第一电感L1串联后连接第一欧姆线TL1一端和第一微带线TL2一端，第一微带线TL2另一端连接第二微带线TL3一端和第三微带线TL4一端，第二微带线TL3另一端连接第一电容C1，第三微带线TL4另一端连接第四微带线TL5一端和第五微带线TL6一端，第四微带线TL5另一端连接第二电容C2。
进一步的，载波输出匹配网络为阶梯阻抗变换线结构。
进一步的，输出匹配网络为准椭圆滤波结构。
进一步的，所述载波功放相位补偿线为50欧姆微带线。
有益效果：本发明利用峰值功放模块抑制二次谐波，省略了传统后匹配型Doherty功放的峰值功放补偿线，实现峰值功放模块饱和功率和高效率，进而克服功率放大器消耗功率较大的问题，后匹配网络输出端利用阶梯阻抗变换线结构连接负载阻抗，使Doherty功率放大器结构简单易于设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明整体结构框图；
图2是本发明载波功放和峰值功放双阻抗匹配的关系示意图；
图3(a)是本发明功率比为1：1.5时关于X的关系图；
图3(b)是本发明功率比为1：1.5时关于ZL的关系图；
图4是本发明功分器的结构图；
图5(a)是本发明饱和输出功率下的输出端口匹配结果图；
图5(b)是本发明功率回退下的输出端口匹配结果图；
图6是本发明峰值放大器准椭圆滤波输出匹配结构图和阻抗关系图；
图7是本发明峰值放大器在功率回退下阻抗匹配的解空间；
图8是本发明提供漏级效率与增益和输出功率的关系图；
图9是本发明利用微带线和电容并联电容设计的输入匹配结构图。
其中，1、功分器，2、载波功放相位补偿线，3、载波功放模块，4、峰值功放模块，5、后匹配网络，6、负载阻抗，3-1、载波输入匹配网络，3-2、载波放大器，3-3、载波输出匹配网络，4-1、峰值输入匹配网络，4-2、峰值放大器，4-3、峰值输出匹配网络。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器，如图1-9，包括：功分器1、载波功放相位补偿线2、载波功放模块3、峰值功放模块4、后匹配网络5和负载阻抗6；
所述功分器1的输出端连接所述载波功放相位补偿线2输入端和所述峰值功放模块4输入端，所述载波功放相位补偿线2输出端连接所述载波功放模块3输入端，所述载波功放模块3输出端和所述峰值功放模块4输出端连接所述后匹配网络5输入端，所述后匹配网络5输出端利用阶梯阻抗变换线结构连接所述负载阻抗6；
所述载波功放模块3包括载波输入匹配网络3-1、载波放大器3-2和载波输出匹配网络3-3，所述载波输入匹配网络3-1输入端与所述载波功放相位补偿线2输出端相连，所述载波输入匹配网络3-1输出端与所述载波放大器3-2的栅极相连，所述载波输出匹配网络3-3与所述载波放大器3-2的漏级相连；
所述峰值功放模块4包括峰值输入匹配网络4-1、峰值放大器4-2和峰值输出匹配网络4-3，所述峰值输入匹配网络4-1输入端与所述功分器1输出端相连，所述峰值输入匹配网络4-1输出端与所述峰值放大器4-2的栅极相连，所述峰值输出匹配网络4-3输入端与所述峰值放大器4-2的漏级相连。
在具体实施例中，所述功分器包含第一端口、第二端口、第三端口、第一欧姆线TL1、第一微带线TL2、第二微带线TL3、第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2、第一电阻R1，第一端口与第一欧姆线TL1一端相连，第一欧姆线TL1另一端分别与第一微带线TL2一端和第二微带线TL3一端相连，第一微带线TL2另一端分别与第一电阻R1一端、第一电容C1一端和第一电感L1一端相连，第二微带线TL3另一端分别与第一电阻R1另一端和第二电感L2一端相连，第一电感L1另一端与第二端口相连，第二电感L2另一端分别与第二电容C2和第三端口相连。
在具体实施例中，载波输入匹配网络与峰值输入匹配网络利用微带线与电容并联；第三电容C3与第一电感L1串联后连接第一欧姆线TL1一端和第一微带线TL2一端，第一微带线TL2另一端连接第二微带线TL3一端和第三微带线TL4一端，第二微带线TL3另一端连接第一电容C1，第三微带线TL4另一端连接第四微带线TL5一端和第五微带线TL6一端，第四微带线TL5另一端连接第二电容C2。
在具体实施例中，载波输出匹配网络为阶梯阻抗变换线结构。
在具体实施例中，输出匹配网络4-3为准椭圆滤波结构。
在具体实施例中，所述载波功放相位补偿线2为50欧姆微带线。
在具体实施例中，本发明所述的大功率回退的非对称Doherty功率放大器载波选用CGH4000P晶体管，漏极采用28V的直流供电，饱和输出功率为6-8W，峰值放大器4-1采用CGH40010F晶体管，漏极采用28V的直流供电，饱和输出功率为10-13W。本发明以9.5dB功率回退的非对称Doherty功率放大器为例，其功率比α为1.5。
在实际应用中，传统的后匹配型Doherty功率放大器其峰值功放模块在小信号输入功率时，输出阻抗为无穷大，其载波功放模块和峰值功放模块在合路点处的阻抗关系为：
其中Pc,sat是载波功放模块的饱和输出功率，Pp,sat是峰值功放模块的饱和输出功率，Pc,obo是载波功放模块的回退输出功率，ZL是合路点阻抗，α是峰值饱和输出功率和载波饱和输出功率之比，或合路点处载波功放模块饱和输出阻抗和峰值功放模块饱和输出阻抗之比，β是载波功放的饱和输出功率和回退输出功率之比，OBO是功率回退，SAT是功率饱和。
而在实际的宽带功放中，峰值功放模块只有在其工作中心频点输出阻抗为无穷大，在其他频点会偏离无穷大，则在低功率区，非无穷大的阻抗便会对载波功放的性能产生影响，进而影响了宽带Doherty功率放大器的性能，因此需要对峰值功放模块的低功率工作状态进行分析。本发明峰值功放模块4偏置在C类，在开始工作前，其负载阻抗解空间落在Smith圆图的边缘，开始工作后，阻抗空间向圆图中间移动，因此峰值功放模块4在未开始工作之前其阻抗为纯虚阻抗，记为jX，根据功率回退设计公式(6)可得到|Γc1|合路点处载波功放模块3的反射系数，得到合路点处载波功放模块3的反射系数公式表达可由公式为：
其中Zc1,obo是合路点载波回退阻抗、Zc1,sat是合路点载波饱和阻抗、Zc1,sat*是合路点载波饱和阻抗的共轭、ZL是合路点在后匹配处的阻抗、jX是峰值功放在回退时在合路点的阻抗。
通过公式(6)—公式(8)可以得出功率回退量主要有X、ZL和功率比α决定，且功率越大，回退量越大。
图2为双阻抗匹配网络的阻抗关系，具体的，阻抗由公式(9)载波功放模块3的阻抗关系和公式(10)峰值功放模块4的阻抗关系所表示为：
由上述公式结合图3(a)和图3(b)可得，随着ZL的增大和X的减小，功率回退量增加，选择X取24，ZL取15时，得到传统的后匹配型Doherty功率放大器功率回退量为9.5dB，本发明功率回退量为8dB，相比之下，功率回退量增加了1.5dB。
在实际工作中，结合图4，本发明所述功分器1采用小型化不等分功分器设计，用于将输入功率进行分配，功率比为1：1.5。如图4，TL1为50欧姆线，长度不影响功分器效果，TL2和TL3为90°微带线，其阻抗Z2为87.5欧姆，Z3阻抗为50.3欧姆，节点Z4和Z5的阻抗分别为61.2欧姆和40.8欧姆，图4中Term1为第一端口，Term2为第二端口，Term3为第三端口，第一、第二、第三端口均为50欧姆。为了进行小型化设计，支路2和支路3分别用LC匹配电路进行匹配，支路2由Z4匹配至50欧姆，支路3由Z5匹配至50欧姆，隔离电阻为100欧姆。
本发明所述的载波功放相位补偿线2采用50欧姆微带线设计，其电长度由载波功放模块3和峰值功放模块4两路在合路点处的相位关系所决定，该电长度选为30°能保证输出信号在合路点处同相合成。
本发明所述的载波功放模块3包括依次串接而成的载波输入匹配网络3-1、载波放大器3-2和输出匹配网络3-3。载波放大器3-2工作在AB类工作状态，晶体管采用CGH40006P为例，其漏极采用28V的直流电源供电，在设计输入输出匹配电路前，先进行稳定性设计，在晶体管满足工作频段的全频稳定后，进行源牵引和负载牵引。载波功放模块3的输出匹配网络3-3采用双阻抗匹配的方式，通过负载牵引得到载波功放模块3在回退和饱和时的最佳阻抗，使他们在合路点处，饱和时匹配到37.5欧姆，回退时匹配到10.8+j*6.7欧姆，如图5(a)和图5(b)所示是用ADS电磁仿真平台搭建的优化电路得到的载波功放模块3在饱和状态和回退状态下的匹配情况，S11和S33均在-15dB以下，两种状态下都达到了很好的匹配。
本发明所述的峰值功放模块4包括依次串接而成的峰值输入匹配网络4-1、峰值功放4-2器和输出匹配网络4-3。峰值功放模块工作在C类偏置，晶体管选用CGH40010F，其漏极采用28V直流供电。峰值输出匹配电路4-3采用准椭圆滤波结构来进行二次谐波抑制，如图6所示。该输出匹配网络4-3要满足饱和状态和回退状态下的双阻抗匹配状态，饱和状态下由负载牵引得到输出功率最大的点，回退状态下由负载牵引得到工作在C类状态下的未开始工作的阻抗解区域，通过该结构，可以保证峰值功放模块4得到较高的饱和输出功率和效率。如图7所示，是峰值功放模块4在回退时所需要匹配的阻抗解空间，由Zp,out匹配至Zp1,obo，饱和状态满足Zp匹配至Zp1。
本发明所示的后匹配结构5由阶梯阻抗变换线构成，从而完成合路点处的15欧姆阻抗变换到负载输出阻抗50欧姆。
图8为本发明输出功率和漏极效率的关系图，从图中可以看出，在工作频带为500MHz-650MHz内，饱和效率为64％-72％,9.5dB功率回退处效率为55％-62％，表明本发明所设计的Doherty功率放大器在宽带性能、效率性能以及回退区间上相较于非对称后匹配型Doherty功率放大器有着更好的性能。
本发明一种大功率回退的非对称Doherty功率放大器的工作原理为：
当输入信号较小时，整个Doherty功率放大器处于小功率工作状态，整个Doherty功率放大器只有载波功放模块3打开工作，工作状态为AB类，峰值功放模块4处于C类偏置工作状态，还未开始工作，其输出阻抗处于Smith圆图的边缘，这时整个Doherty工作达到第一个工作效率的峰值点；随着输入信号的不断增大，Doherty功率放大器进入中等功率放大状态峰值功放模块4的等效输出阻抗由Smith圆图的边缘开始向圆图内部移动，峰值功放模块4逐渐走向开启状态；当载波功放模块3和峰值功放模块4的输出电流相位相等时，Doherty功率放大器处于大功率工作状态，两路功放一起进行工作，此时整个Doherty电路达到第二个效率峰值点。
本发明通过从峰值功放模块4的回退点阻抗为非无穷大阻抗着手，利用Doherty功放的有源负载调制原理，来扩展传统后匹配型Doherty功放的功率回退区间。即载波功放模块3采用阶梯阻抗变换线结构进行双阻抗匹配设计，让其合路点回退阻抗匹配至载波功放模块3回退负载牵引的最大效率点，其合路饱和阻抗匹配至载波功放模块3饱和负载牵引的最大功率点。对于峰值功放模块4，其输出匹配采用准椭圆滤波结构来提高峰值功放模块4的饱和效率和饱和输出功率，其匹配方式仍采用双阻抗匹配，回退时，由合路点峰值功放模块4为纯虚数阻抗匹配至峰值功放模块4的C类工作点，饱和时，由合路点峰值功放模块4的实阻抗匹配至峰值功放模块4饱和负载牵引的最大输出功率点。最后两路合路通过后匹配网络连接，实现整个Doherty功率放大器的设计。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器，其特征在于，包括：功分器(1)、载波功放相位补偿线(2)、载波功放模块(3)、峰值功放模块(4)、后匹配网络(5)和负载阻抗(6)；
所述功分器(1)的输出端连接所述载波功放相位补偿线(2)输入端和所述峰值功放模块(4)输入端，所述载波功放相位补偿线(2)输出端连接所述载波功放模块(3)输入端，所述载波功放模块(3)输出端和所述峰值功放模块(4)输出端连接所述后匹配网络(5)输入端，所述后匹配网络(5)输出端利用阶梯阻抗变换线结构连接所述负载阻抗(6)；
所述载波功放模块(3)包括载波输入匹配网络(3-1)、载波放大器(3-2)和载波输出匹配网络(3-3)，所述载波输入匹配网络(3-1)输入端与所述载波功放相位补偿线(2)输出端相连，所述载波输入匹配网络(3-1)输出端与所述载波放大器(3-2)的栅极相连，所述载波输出匹配网络(3-3)与所述载波放大器(3-2)的漏级相连；
所述峰值功放模块(4)包括峰值输入匹配网络(4-1)、峰值放大器(4-2)和峰值输出匹配网络(4-3)，所述峰值输入匹配网络(4-1)输入端与所述功分器(1)输出端相连，所述峰值输入匹配网络(4-1)输出端与所述峰值放大器(4-2)的栅极相连，所述峰值输出匹配网络(4-3)输入端与所述峰值放大器(4-2)的漏级相连。
2.如权利要求1所述的一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：所述功分器(1)包含第一端口、第二端口、第三端口、第一欧姆线TL1、第一微带线TL2、第二微带线TL3、第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2、第一电阻R1，第一端口与第一欧姆线TL1一端相连，第一欧姆线TL1另一端分别与第一微带线TL2一端和第二微带线TL3一端相连，第一微带线TL2另一端分别与第一电阻R1一端、第一电容C1一端和第一电感L1一端相连，第二微带线TL3另一端分别与第一电阻R1另一端和第二电感L2一端相连，第一电感L1另一端与第二端口相连，第二电感L2另一端分别与第二电容C2和第三端口相连。
3.如权利要求2所述的一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：载波输入匹配网络(3-1)与峰值输入匹配网络(4-1)利用微带线与电容并联；
第三电容C3与第一电感L1串联后连接第一欧姆线TL1一端和第一微带线TL2一端，第一微带线TL2另一端连接第二微带线TL3一端和第三微带线TL4一端，第二微带线TL3另一端连接第一电容C1，第三微带线TL4另一端连接第四微带线TL5一端和第五微带线TL6一端，第四微带线TL5另一端连接第二电容C2。
4.如权利要求1所述的一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：载波输出匹配网络(3-3)为阶梯阻抗变换线结构。
5.如权利要求1所述的一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：输出匹配网络(4-3)为准椭圆滤波结构。
6.如权利要求1所述的一种基于大功率回退的非对称Doherty功率放大器，其特征在于：所述载波功放相位补偿线(2)为50欧姆微带线。
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