CN113746435A - Doherty功率放大器及包括其的基站和通信*** - Google Patents

Doherty功率放大器及包括其的基站和通信*** Download PDF

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刘伟
徐鸿卓
辛俊莹
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Abstract

本申请公开了一种Doherty功率放大器及包括其的基站和通信***。该Doherty功率放大器包括功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路和负载调制网络。负载调制网络包括第一微带线、第二微带线和双频匹配电路，第一微带线和第二微带线的一端分别与载波功率放大电路和峰值功率放大电路的输出端连接，第一微带线和第二微带线的另一端相连接作为合路端与双频匹配电路的一端连接，双频匹配电路的另一端与负载连接。较传统的Doherty功率放大器而言，本发明的双频匹配电路可以补偿微带线的频散效应，能够显著提高功率放大器的带宽，提高回退效率，很好地应用于未来无线通信***中。

Description

Doherty功率放大器及包括其的基站和通信***
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种Doherty功率放大器及包括其的基站和通信***。
背景技术
近年来，随着数据流量需求的日益增长，以及新的射频前端的出现，5G通信普及的速度越来越快。在逐渐向5G通信过渡的这一时间段内，为充分挖掘4G网络的潜力，保护现有的大规模通信资产，移动通信***将产生新的通信标准和模式。这就要求发展新的频带，同时还需要尽可能的减少射频前端所占空间并降低成本，未来长时间内，这种情况会一直存在。功率放大器(PA)在无线通信***中占据着重要的地位，其性能优劣严重影响着通信***的质量，因此对功率放大器拓宽带宽的研究变得尤为重要。Doherty功率放大器具有结构简单、效率高、成本低的优点，因此其成为当今无线通信***采用功率放大器的主流形式。
图1为传统的Doherty功率放大器示意性结构图。如图1所示，Doherty功率放大器100包括功分器110、载波功率放大电路120、峰值功率放大电路130和微带线TL1至TL3。载波功率放大电路120包括载波输入匹配电路121、载波放大器122、载波输出匹配电路123和补偿线124。峰值功率放大电路130包括峰值输入匹配电路131、峰值放大器132、峰值输出匹配电路133和补偿线134。功分器110将输入的射频(RF)信号分成两路分别送入载波功率放大电路120和峰值功率放大电路130，在低功率状态下，峰值放大器132并未进入工作状态，信号通过功分器110经由载波输入匹配电路121到载波放大器122，再通过载波输出匹配电路123提供输出功率。当输入信号的功率达到某一临界点时，峰值放大器132刚好进入工作状态，且载波放大器122此时也接近饱和状态。若再继续增加输入功率，则峰值放大器132刚好进入稳定的工作状态，整个Doherty功率放大器进入高输出功率状态。载波功率放大电路120后的1/4波长微带线TL2起到阻抗变换的作用，即在峰值放大器132工作时，起到减小载波放大器122的等效负载阻抗的作用，使得输出功率和效率都维持在较高水平。
传统Doherty功率放大器使用两节阻抗变换器进行负载调制，而这两节阻抗变换器全部由1/4波长微带线(即图1中的微带线TL2和TL3)组成，这样就限制了Doherty功率放大器的带宽特性。其主要原因是1/4波长微带线存在频散效应，即现有技术对输出端的微带线是在某一中心频率的基础上设计的，随着信号频率偏离中心频率，输出端的阻抗变换线和相位补偿线会有相对较大的波动，从而导致载波功率放大电路和峰值放大电路的输出阻抗不稳定，这种不稳定造成了传统Doherty功率放大器带宽偏窄的缺点。
随着无线通信技术的发展，信号带宽也在不断增大，如何拓宽Doherty功率放大器的带宽，成为亟待解决的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种Doherty功率放大器及包括其的基站和通信***，能够显著提高Doherty功率放大器的带宽。
根据本发明的一个方面，提供了一种Doherty功率放大器，包括：功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路和负载调制网络，其中，所述功分器适于将输入信号进行分配后分别输出给所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路，所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路的输出端与所述负载调制网络连接，经所述负载调制网络将功率输出给负载，所述负载调制网络包括第一微带线、第二微带线和双频匹配电路，所述第一微带线和所述第二微带线的一端分别与所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路的输出端连接，所述第一微带线和所述第二微带线的另一端相连接作为合路端与双频匹配电路的一端连接，双频匹配电路的另一端与所述负载连接，其中，所述双频匹配电路用于补偿所述微带线的频散效应以拓宽所述功率放大器的带宽。
可选的，所述双频匹配电路包括：依次连接于所述合路端和所述负载之间的第三微带线和第四微带线。
可选的，所述负载调制网络还包括：连接于所述第一微带线和所述合路端之间的第一相移线，所述第一相移线的一端与所述第一微带线的另一端连接，所述第一相移线的另一端与所述合路端连接。
可选的，所述Doherty功率放大器还包括：连接于所述功分器的输出端和所述峰值功率放大电路的输入端之间的第二相移线。
可选的，所述功分器通过等分式威尔金森功分器实现。
可选的，所述功分器包括第五至第九微带线和第一电阻，其中，所述第五微带线的一端与所述输入信号连接，所述第五微带线的另一端与第六微带线和第七微带线的一端连接，所述第六微带线和所述第七微带线的另一端分别与所述第一电阻的两端连接，第八微带线的一端与所述第六微带线和所述第一电阻的结合点连接，所述第八微带线的另一端作为信号输出端与所述载波功率放大电路的输入端连接，第九微带线的一端与所述第七微带线和所述第一电阻的结合点连接，所述第九微带线的另一端作为另一信号输出端与所述峰值功率放大电路的输入端连接。
可选的，所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路均包括：依次串联连接的输入匹配电路、稳定电路、放大器和输出匹配电路。
可选的，所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路中的放大器均采用晶体管实现。
可选的，所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路都还包括：栅极偏置电路，与所述放大器的栅极相连接，用于为所述放大器的栅极提供电压；以及漏极偏置电路，与所述放大器的漏极相连接，用于为所述放大器的漏极提供电压。
可选的，所述输入匹配电路包括串联连接在放大电路的输入端和所述晶体管的栅极之间的第一电容、第十微带线、第十一微带线和第十二微带线。
可选的，所述稳定电路通过第二电阻和第二电容并联构成的阻容网络实现。
可选的，所述输出匹配电路包括串联连接在所述晶体管的漏极和放大电路的输出端之间的第十三微带线、第十四微带线、第十五微带线和第三电容。
可选的，所述栅极偏置电路包括：串联连接在栅极电源和所述晶体管的栅极之间的第十六微带线、第十七微带线、第十八微带线、第十九微带线和第三电阻；以及第四至第六电容，所述第四至第六电容的一端分别连接在第十六至第十九微带线中的相邻的两个微带线之间，所述第四至第六电容的另一端接地。
可选的，所述第十九微带线为1/4波长的微带线。
可选的，所述漏极偏置电路包括：串联连接在所述晶体管的漏极和漏极电源之间的第二十微带线、第二十一微带线、第二十二微带线和第二十三微带线；以及第七至第九电容，所述第七至第九电容的一端分别连接在第二十至第二十三微带线中的相邻的两个微带线之间，所述第七至第九电容的另一端接地。
可选的，所述第二十微带线为1/4波长的微带线。
根据本发明的另一方面，还提供了一种基站，包括上述的Doherty功率放大器。
根据本发明的再一方面，还提供了一种通信***，包括上述的基站。
综上所述，本发明提供的Doherty功率放大器的负载调制网络包括第一微带线、第二微带线和双频匹配电路，第一微带线和第二微带线的一端分别与载波功率放大电路和峰值功率放大电路的输出端连接，第一微带线和第二微带线的另一端相连接作为合路端与双频匹配电路的一端连接，双频匹配电路的另一端与负载连接。较传统的Doherty功率放大器而言，本发明的双频匹配电路可以补偿微带线的频散效应，能够显著提高功率放大器的带宽，提高回退效率，很好地应用于未来无线通信***中。
附图说明
图1为传统Doherty功率放大器的示意性结构图；
图2为根据本发明实施例的一种Doherty功率放大器的示意性结构图；
图3为图2中的功分器的一种示意性电路图；
图4为图2中的载波功率放大电路的一种示意性电路图；
图5为本发明实施例的Doherty功率放大器的ADS仿真结果图；
图6为本发明实施例的Doherty功率放大器在不同输出功率下的ADS仿真结果图；
图7为本发明实施例的Doherty功率放大器在不同输入功率下的ADS仿真结果图。
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做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。
图2为根据本发明实施例的一种Doherty功率放大器的示意性结构图。如图2所示，Doherty功率放大器200包括功分器210、载波功率放大电路220、峰值功率放大电路230和负载调制电路240。功分器210用于将输入的射频信号进行分配后分别输出给载波功率放大电路220和峰值功率放大电路230，载波功率放大电路220和峰值功率放大电路230的输出端与负载调制网络240连接，经所述负载调制网络240将功率输出给负载。
可选的，载波功率放大电路220包括依次串联连接的载波输入匹配电路221、稳定电路222、载波栅极偏置电路223、载波放大器224、载波漏极偏置电路225和载波输出匹配电路226。峰值功率放大电路230包括依次串联连接的峰值输入匹配电路231、稳定电路232、峰值栅极偏置电路233、峰值放大器234、峰值漏极偏置电路235和峰值输出匹配电路236。
负载调制网络240包括第一微带线TL1、第二微带线TL2和双频匹配电路241。第一微带线TL1的一端与载波功率放大电路220的输出端连接，第二微带线TL2的一端与峰值功率放大电路230的输出端连接，第一微带线TL1的另一端与第二微带线TL2的另一端相连接作为合路端与双频匹配电路241的一端连接，双频匹配电路241的另一端与负载连接。其中，第一微带线TL1和第二微带线TL2均为1/4波长的微带线。
采用上述技术方案，相比于传统的Doherty功率放大器，由于在合路端之后采用双频传输线原理，用双频匹配电路241代替了传统的1/4波长的微带线，可以补偿微带线的频散效应，对负载阻抗随工作频率变化的漂移进行有效的抑制，从而达到了拓宽Doherty功率放大器的带宽的目的。
可选的，双频匹配电路241包括第三微带线TL3和第四微带线TL4，第三微带线TL3的一端与合路端连接，另一端与第四微带线TL4的一端连接，第四微带线TL4的另一端连接至负载。第三微带线TL3和第四微带线TL4共同实现了双频功能，从而补偿前面的相移微带线产生的频散效应，因为第三微带线TL3和第四微带线TL4共同实现双频，故而这两段微带线的参数相互制约，这两段微带线不一定为1/4波长，具体与双频点的选择有关，可以通过计算得出，从而可以有效的拓宽功率放大器的带宽。
可选的，负载调制网络240还包括连接于第一微带线TL1与合路端之间的第一相移线T1，第一相移线T1的一端与第一微带线TL1的另一端连接，第一相移线T1的另一端与合路端连接。通过相位变换，可以使得载波功率放大电路220输出的信号与峰值功率放大电路230输出的信号合成至合路端。此外，Doherty功率放大器200还包括连接在功分器210的输出端和峰值功率放大电路230的输入端之间的第二相移线T2。
本实施例中的两个功率放大电路不是轮流工作的，而是载波功率放大电路220一直在工作，峰值功率放大电路230只有在输入的射频信号达到设定的峰值时才会工作。载波功率放大电路220后连接的90°的1/4波长第一相移线T1用于阻抗变换，目的是在峰值功率放大电路230工作时，起到减小载波功率放大电路输出阻抗的作用，保证峰值功率放大电路230工作时与后面的电路组成的有源负载阻抗变小，从而使得载波功率放大电路220输出电流增大。由于载波功率放大电路220后面有了四分之一波长第一相移线T1，为了使得两个功率放大电路的输出同相，在峰值功率放大电路230的输入端也需要设置90°的1/4波长第二相移线T2。
图3为图2中的功分器的一种示意性电路图。在本实施例中，功分器210例如通过等分式威尔金森功分器实现，如图3所示，功分器210包括第五微带线TL5至第九微带线TL9和电阻R1。第五微带线TL5的一端与端口P1连接，另一端分别与第六微带线TL6和第七微带线TL7的一端连接，第六微带线TL6和第七微带线TL7的另一端分别与电阻R1的两端连接。第八微带线TL8的一端与第六微带线TL6和电阻R1的结合点连接，第八微带线TL8的另一端与端口P2连接。第九微带线TL9的一端与第七微带线TL7和电阻R1的结合点连接，第九微带线TL9的另一端与端口P3连接。功分器210的端口P1连接射频输入信号，用于将输入的射频信号分成幅度相同，相位相差90°的两路信号。无相移的一路信号通过端口P2连接到载波功率放大电路220的输入端，90°相移的一路信号通过端口P3连接到峰值功率放大电路230的输入端。
本实施例中使用微带线和隔离电阻组合设计的功分器可以将输入的射频信号进行等功率分配，然后作为载波功率放大电路220和峰值功率放大电路230的输入，当输出端匹配时，本实施例所设计的功分器具备良好的隔离度，并且在理论上可以实现无损耗的功率分配。
图4为图2中载波功率放大电路的一种示意性电路图。在本实施例中，载波功率放大电路220中的载波放大器224例如可通过晶体管来实现。
进一步的，本发明实施例中的载波输入匹配电路221和载波输出匹配电路226均根据牵引出的最佳阻抗值，通过Smith圆图匹配，得到特征阻抗与电长度，而后将理想传输线转化为微带线。如图4所示，载波输入匹配电路221包括串行电容C1、第十微带线TL10、第十一微带线TL11和第十二微带线TL12。串行电容C1的一端通过端口P4与功分器210的输出端连接，串行电容C1的另一端与第十微带线TL10的一端连接，第十微带线TL10的另一端与第十一微带线TL11的一端连接，第十一微带线TL11的另一端与稳定电路222的一端连接，稳定电路222的另一端与第十二微带线TL12的一端连接，第十二微带线TL12的另一端与晶体管的栅极连接。
电阻R2并联电容C2组成的阻容网络构成了稳定电路222，可以避免晶体管在某些频率点上引起的自激振荡。其中，电阻R2和并联电容C2的一个结合点与第十一微带线TL11的另一端连接，电阻R2和并联电容C2的另一个结合点与第十二微带线TL12的一端连接。
载波输出匹配电路226包括串行的第十三微带线TL13、第十四微带线TL14、第十五微带线TL15和串行电容C3。第十三微带线TL13至第十五微带线TL15依次串联连接在晶体管的漏极和串行电容C3的一端之间，串行电容C3的另一端与端口P5连接，端口P5用于作为载波功率放大电路220的输出端。
在功率放大器的设计中，偏置电路的设计是很关键的一步，晶体管要正常工作，需要一定的偏置电路(静态工作点)。每一个晶体管都需要选择一个静态工作点来实现设计指标，在功率放大器中偏置是给晶体管进行供电的。栅极偏置电路与晶体管的栅极相连，它为栅极提供电压，该电压决定晶体管的静态工作点，静态工作点又直接影响功放的工作状态。漏极偏置电路与漏极相连，决定漏极的电压，而且一般电压较大，在工作时需要承载很大的电流。
如图4所示，本发明实施例采用串联1/4波长的微带线以及串行微带线并联电容的结构来构成栅极偏置电路和漏极偏置电路。具体的，载波栅极偏置电路223包括串联连接在端口P6和晶体管的栅极之间的第十六微带线TL16至第十九微带线TL19和电阻R3，以及电容C4至C6。其中，端口P6用于连接栅极电源，第十九微带线TL19为1/4波长微带线，电容C4至C6的一端分别连接在两个微带线之间，另一端接地。电容C4至C6可以用来滤掉各个频率的射频分量以及直流电源中不可避免的交流分量，保护放大器电路，有效地保持电路的稳定性。
载波漏极偏置电路225包括依次串联连接在晶体管的漏极和端口P7之间的第二十微带线TL20至第二十三微带线TL23、以及电容C7至C9。其中，端口P7用于连接漏极电源，第二十微带线TL20为1/4波长微带线，电容C7至C9的一端分别连接在两个微带线之间，另一端接地。电容C7至C9可以用来滤掉各个频率的射频分量以及直流电源中不可避免的交流分量，保护放大器电路，有效地保持电路的稳定性。
需要说明的是，本发明实施例的峰值功率放大电路230采用与载波功率放大电路220相同的电路结构，其中的峰值输入匹配电路231、稳定电路232、峰值栅极偏置电路233、峰值放大器234、峰值漏极偏置电路235和峰值输出匹配电路236采用了与图4中公开的相同的结构，在此不再赘述。
图5为本发明实施例的Doherty功率放大器的ADS仿真结果图。本发明利用上述的技术方案，设计了一款工作中心频率为3GHz的宽带Doherty功率放大器。其中，载波功率放大电路的供电电压分别为2.7V和28V；峰值功率放大电路的供电电压分别为1.34V和28V。如图5所示，仿真结果表明，本发明实施例的功率放大器工作频段为2.3GHz～3.7GHz，在中心频率3GHz处回波损耗S11为-40.245dBm，***损耗S21为16.509dBm。
图6和图7分别为本发明实施例的Doherty功率放大器在不同输出功率和输入功率下的ADS仿真结果图。如图6和图7所示，本发明实施例整体Doherty功率放大器在输入功率为25dBm时的增益为15.833dBm，功率附加效率PAE为62.050％，-6dB回退区间处的功率附加效率为40.269％。
从上述实施例可以看出，本发明提供的Doherty功率放大器采用了基于双频匹配电路构成的负载调制网络，较Doherty功率放大器而言，能够显著提高功率放大器的带宽，提高回退效率，很好地应用于未来无线通信***中。
根据本发明的另一方面，提供了一种基站和通信***，该基站和通信***包括了上述实施例的Doherty功率放大器。
本发明的如上实施例，并没有详尽叙述本发明的所有细节，也不是本发明仅有的具体实施例。显然，根据以上描述，可作多种修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (18)

1.一种Doherty功率放大器，包括：功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路和负载调制网络，其中，
所述功分器适于将输入信号进行分配后分别输出给所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路，所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路的输出端与所述负载调制网络连接，经所述负载调制网络将功率输出给负载，
所述负载调制网络包括第一微带线、第二微带线和双频匹配电路，所述第一微带线和所述第二微带线的一端分别与所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路的输出端连接，所述第一微带线和所述第二微带线的另一端相连接作为合路端与双频匹配电路的一端连接，双频匹配电路的另一端与所述负载连接，
其中，所述双频匹配电路用于补偿所述微带线的频散效应以拓宽所述功率放大器的带宽。
2.根据权利要求1所述的Doherty功率放大器，其中，所述双频匹配电路包括：
依次连接于所述合路端和所述负载之间的第三微带线和第四微带线。
3.根据权利要求1所述的Doherty功率放大器，其中，所述负载调制网络还包括：
连接于所述第一微带线和所述合路端之间的第一相移线，所述第一相移线的一端与所述第一微带线的另一端连接，所述第一相移线的另一端与所述合路端连接。
4.根据权利要求1所述的Doherty功率放大器，其中，还包括：
连接于所述功分器的输出端和所述峰值功率放大电路的输入端之间的第二相移线。
5.根据权利要求1所述的Doherty功率放大器，其中，所述功分器通过等分式威尔金森功分器实现。
6.根据权利要求5所述的Doherty功率放大器，其中，所述功分器包括第五至第九微带线和第一电阻，
其中，所述第五微带线的一端与所述输入信号连接，所述第五微带线的另一端与第六微带线和第七微带线的一端连接，
所述第六微带线和所述第七微带线的另一端分别与所述第一电阻的两端连接，
第八微带线的一端与所述第六微带线和所述第一电阻的结合点连接，所述第八微带线的另一端作为信号输出端与所述载波功率放大电路的输入端连接，
第九微带线的一端与所述第七微带线和所述第一电阻的结合点连接，所述第九微带线的另一端作为另一信号输出端与所述峰值功率放大电路的输入端连接。
7.根据权利要求1所述的Doherty功率放大器，其中，所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路均包括：
依次串联连接的输入匹配电路、稳定电路、放大器和输出匹配电路。
8.根据权利要求7所述的Doherty功率放大器，其中，所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路中的放大器均采用晶体管实现。
9.根据权利要求8所述的Doherty功率放大器，其中，所述载波功率放大电路和所述峰值功率放大电路都还包括：
栅极偏置电路，与所述放大器的栅极相连接，用于为所述放大器的栅极提供电压；以及
漏极偏置电路，与所述放大器的漏极相连接，用于为所述放大器的漏极提供电压。
10.根据权利要求9所述的Doherty功率放大器，其中，所述输入匹配电路包括串联连接在放大电路的输入端和所述晶体管的栅极之间的第一电容、第十微带线、第十一微带线和第十二微带线。
11.根据权利要求9所述的Doherty功率放大器，其中，所述稳定电路通过第二电阻和第二电容并联构成的阻容网络实现。
12.根据权利要求9所述的Doherty功率放大器，其中，所述输出匹配电路包括串联连接在所述晶体管的漏极和放大电路的输出端之间的第十三微带线、第十四微带线、第十五微带线和第三电容。
13.根据权利要求9所述的Doherty功率放大器，其中，所述栅极偏置电路包括：
串联连接在栅极电源和所述晶体管的栅极之间的第十六微带线、第十七微带线、第十八微带线、第十九微带线和第三电阻；以及
第四至第六电容，所述第四至第六电容的一端分别连接在第十六至第十九微带线中的相邻的两个微带线之间，所述第四至第六电容的另一端接地。
14.根据权利要求13所述的Doherty功率放大器，其中，所述第十九微带线为1/4波长的微带线。
15.根据权利要求9所述的Doherty功率放大器，其中，所述漏极偏置电路包括：
串联连接在所述晶体管的漏极和漏极电源之间的第二十微带线、第二十一微带线、第二十二微带线和第二十三微带线；以及
第七至第九电容，所述第七至第九电容的一端分别连接在第二十至第二十三微带线中的相邻的两个微带线之间，所述第七至第九电容的另一端接地。
16.根据权利要求15所述的Doherty功率放大器，其中，所述第二十微带线为1/4波长的微带线。
17.一种基站，包括权利要求1至16任一项所述的Doherty功率放大器。
18.一种通信***，包括权利要求17所述的基站。
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