CN116317963A - 一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,属于通信信息技术领域,所述架构包括N+1个输入匹配网络、一个载波功率放大器、N个峰值功率放大器、一个调制网络1、N个不同的匹配网络、以及N个调节网络。本发明结构简单、设计科学合理,使用方便,通过将传统Doherty功放架构重构,将峰值功率放大器变为多路,并且每一个峰值功率放大器对应的功率放大器的匹配网络都不一样,从将Doherty功率放大器运行分为多组合模式进而合成宽带或多带的工作频率。

Description

一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构
技术领域
本发明属于通信信息技术领域,具体涉及一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构。
背景技术
面对现代通信***中调制信号的高峰均比特点,射频功率放大器作为收发***中的重要模块,则被要求在输出功率回退水平时具有高效率。其中射频功率放大器的Doherty功率放大器架构,由于其架构简单且电路容易实现一直是学者们研究的重点。同时在5G时代还需要能够兼容前几代通信***的各种通信标准,这就要求5G收发机能够尽可能多的覆盖不同频段的信号,这就对功率放大提出了更高的带宽要求。但是由于传统Doherty功率放大器其本身的各种带宽限制因素(高负载调制比,晶体管寄生参数,无穷大的峰值功放输出阻抗等),导致其Doherty功率放大器很难实现带宽的工作频率,成为所属技术领域技术人员亟待解决的技术问题。
因此,本发明提供了一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,根据传统Doherty功率放大器的理论,对Doherty功率放大器的结构进行重构,将不同峰值功率放大器与载波功率放大器进行不同组合,从而实现不同工作频段的组合模式,进而形成宽频率工作的Doherty功率放大器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,以至少解决上述部分技术问题。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,包括n+1个输入匹配网络、一个载波功率放大器、N个峰值功率放大器、一个调制网络1、N个不同的匹配网络、以及N个调节网络,所述N+1个输入匹配网络从输入端并联接出,所述一个载波功率放大器和N个峰值功率放大器的输入端分别与对应一个输入匹配网络的输出端连接,所述调制网络1的输入端与载波功率放大器的输出端连接,所述N个调节网络依次串联且第1个调节网络的的输入端与调制网络1的输出端连接,所述第n个匹配网络的输出端与对应第n个调节网络的输入端相连接,n=1,2,3,...,N。
进一步地,所述调制网络1、第1个匹配网络和第1个调节网络构成调制网络2,所述调制网络2、第2个匹配网络和第2个调节网络构成调制网络3,以此类推,所述所述调制网络n、第n-1个匹配网络和第n-1个调节网络构成调制网络n。
进一步地,所述输入端与N+1个输入匹配网络之间设有一个功分器。
进一步地,所述功分器与每个输入匹配网络之间均设有一个相位补偿网络。
进一步地,所述功分器与N个峰值功率放大器对应的相位补偿网络之间设有一个多工器。
进一步地,所述调制网络1与第1个调节网络之间设有第1个功率合成点M1,第1个调节网络与第2个调节网络之间设有第2个功率合成点M2,...,第n-2个调节网络与第n-1个调节网络之间设有第n-1个功率合成点Mn-1,第n-1个调节网络与第n个调节网络之间设有第n个功率合成点Mn,第1个匹配网络的输出端与第1个功率合成点M1相连接,第2个匹配网络的输出端与第2个功率合成点M2相连接,...,第n-1个匹配网络的输出端与第n-1个功率合成点Mn-1相连接,第n个匹配网络的输出端与第n个功率合成点Mn相连接。
进一步地,所述相位补偿网络包括依次串联的微带线M1、电容C1、微带线M2、微带线M3、电阻R1和微带线M4,微带线M3与电阻R1之间的节点、以及电阻R1与微带线M4之间的节点连接有电容C2;所述输入匹配网络包括依次串联的微带线M5、微带线M6、微带线M7和微带线M8,微带线M7与微带线M8之间的节点连接有微带线M9,微带线M9连接有电阻R2,微带线M9与电阻R2之间的节点之间的节点连接有电容C3,电阻R2接入电压输出端VG,电容C3接地。
进一步地,所述载波功率放大器和峰值功率放大器均为功率<10W的晶体管A,晶体管A的基极b连接微带线M8,晶体管A的发射极e接地。
进一步地,所述调制网络1包括依次串联的微带线M10、微带线M11和微带线M12,微带线M10与载波功率放大器对应晶体管A的集电极c连接,微带线M10与微带线M11之间的节点连接有微带线M13;所述调节网络包括串联的微带线M14和微带线M15。
进一步地,所述匹配网络包括串联的微带线M16和微带线M17N,微带线M16与峰值功率放大器对应晶体管A的集电极c连接,微带线M16与微带线M17N之间的节点连接有微带线M18N;所述调节网络N依次串联有微带线M19、微带线M20、微带线M21、电容C4和微带线M22,微带线M22接入至输出端,调节网络N的微带线M15与电阻微带线M19之间的节点连接有微带线M23,微带线M23接入电源输出端VDD,微带线M23与电源输出端VDD之间的节点连接有电容C5,电容C5接地。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明结构简单、设计科学合理,使用方便,通过将传统Doherty功放架构重构,将峰值功率放大器变为多路,并且每一个峰值功率放大器对应的功率放大器的匹配网络都不一样,从将Doherty功率放大器运行分为多组合模式进而合成宽带或多带的工作频率。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明三路双组合模式的具体实施例图。
图3为本发明三路双组合模式的电路结构图。
图4为本发明三路双组合模式下第一个组合模式的仿真结果图。
图5为本发明三路双组合模式下第二个组合模式的仿真结果图。
图6为晶体管等效为电流源的Doherty功率放大器简化原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图,对本发明进一步详细说明。显然,所描述的实施例仅仅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6为晶体管等效为电流源的Doherty功率放大器简化原理图,C表示载波功放,P表示峰值功放。Doherty功率放大器主要原理为通过载波功率放大器的电流Ic1对峰值功率放大器的电流源端面阻抗ZP进行调制,通过峰值功率放大器的电流Ip对载波功率放大器合成点处的阻抗Zc1进行调制,然后通过四分之一波长线对载波功率放大器电流源端面的阻抗Zc进行调制,从而实现Doherty功率放大器的两次效率状态。
在低功率区域,只有载波功率放大器开启,峰值功率放大器关闭状态,电流Ip为0,不存在负载的调制作用,功率合成点处的负载RL通过四分之一波长线将电流源端面的阻抗转换为2Ropt,Ropt为功率放大器工作在B类偏置条件下的最佳阻抗,传统Doherty功率放大器中四分之一波长线的特性阻抗与负载RL以及最佳阻抗Ropt满足关系式:Ropt=ZT=2*RL。电流源的阻抗为2*Ropt,将使得VC的值提前饱和,从而产生了Doherty功率放大器的第一个峰值效率点,理论效率为B类功率放大器效率的78.5%。输入功率继续增大,峰值功率放大器开始开启,电流Ip逐渐增大,从而使得ZC1的值开始增大,从而导致Zc的值减小,当Ip的值和Ic1的值相等时,Zc的值变为Ropt,同样Zp的阻抗值也从无穷大调制到Ropt,从而Doherty的第二个峰值效率点的78.5%达到。在这样的负载调制作用下,传统Doherty功率放大器能够实现在输出功率回退6dB的范围内保持高效率。但是由于四分之一波长线的频率发散特性,从而极大限制了Doherty功率放大器的工作带宽,并且由于实际晶体管存在着寄生参数和封装参数,这使得Doherty功率放大器对于频率的变化更加敏感,从而进一步限制了其带宽。
如图1所示,本发明提供的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,包括N+1个输入匹配网络、一个载波功率放大器、N个峰值功率放大器、一个调制网络1、N个不同的匹配网络、以及N个调节网络,其中N+1个输入匹配网络并联从从输入端接出。输入功率一分为N+1,分别分配到一个载波功率放大器和N个峰值功率放大器,所述N路输入功率通过多工器分别选择性输入到对应的一个峰值功率放大器,多工器由多个不同类型的滤波器或者开关阵列构成。本发明可根据工作频率分配输入功率到相应的峰值功率放大器使其工作,从而与载波功率放大器组合成一个Doherty功放工作模式;并且载波功率放大器的调制网络、以及峰值功放的匹配网络根据不同的工作频率进行设计,从而能够组合成不同的Doherty工作结构,并且每个工作频率只对应一个Doherty组合,即只有一个峰值功率放大器对应的工作频率开启运行。由于实际的晶体管存在寄生和封装参数,需设计调制网络以及匹配网络时需要将其吸收,本发明将晶体管寄生参数网络作为匹配网络的一部分,变相地吸收了寄生参数网络。将最后一个调节网络、即调节网络N记为后匹配网络。
当Doherty功率放大器工作于频率1时,载波功率放大器与第1个峰值功率放大器组合运行,其余峰值功率放大器关闭。载波功率放大器的调制网络1、以及第1个峰值功率放大器的匹配网络1只需要吸收晶体管的寄生与封装参数网络,然后通过宽带或多带的后匹配网络将两路功率放大器的输出网络连接。后匹配网络需将***规定的阻抗50Ω匹配到Doherty功率放大器的功率合成点处需要的阻抗值,并且后匹配网络将其余未开启的其他峰值功率放大器的输出网络吸收。
当Doherty功率放大器工作于频率2时,载波功率放大器与第2个峰值功率放大器组合运行,其余峰值功率放大器关闭。此时载波功率放大器的调制网络2则由频率1下的载波功率放大器的调制网络1加上第1个峰值功率放大器的匹配网络1、以及调节网络1三个部分组成,第3个及之后的峰值功率放大器的输出将被吸收到后匹配网络中。
以此类推,当Doherty功率放大器工作于频率n时,载波功率放大器与第n个峰值功率放大器组合运行,前面n-1个峰值功率放大器关闭。此时载波功率放大器的调制网络n则由频率n-1的调制网络n-1加上第n-1个峰值功率放大器的匹配网络n-1、以及调节网络n-1三部分组成。从而实现n个频率模式组合的宽带或多带Doherty功率放大。最后将晶体管的漏极供电偏置网络设计在任意一个调节网络或者匹配网络中、或者后匹配网络中。
本发明所述构架采用功分器,将输入端的输入功率均分输出两路信号,其中一路通过输入匹配网络到达载波功率放大器,输入匹配网络保证了Doherty功率放大器在小信号区域的增益,并且将栅极偏置电路以及串联的并联RC网络吸收到输入匹配网络,从而确保Doherty功率放大器工作的稳定性。载波功率放大器、以及各路的峰值功率放大器均采用同样输入匹配网络,并且在输入匹配网络前面需要添加相位补偿网络,从而确保Doherty工作在饱和状态时功率合成点M1、M2、...、MN的N路电流相位对齐;另一路信号则取决于多工器输入至哪一路峰值功率放大器。作为优选,功分器选用威尔金森功分器;载波功率放大器和峰值功率放大器均可选用GaN高电子迁移率晶体管CGH4006P,具体为功率<10W的晶体管A,其漏极偏置电压为28V;载波功率放大器和峰值功率放大器的电路,其使用的介质基板均为厚度为20mil的Rogers 4350b,其相对介电常数均为3.6。
具体实施例
图2为本发明提供的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构的三路双组合模式的具体实施例图,包括三个输入匹配网络、一个载波功率放大器、峰值功率放大器1、峰值功率放大器2、调制网络1、匹配网络1、配网络2、以及调节网络1和调节网络2,所述多工器为双工器。图3为本发明提供的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构的三路双组合模式的电路结构图。
在本实施例中,第一个组合模式由功率放大器与峰值功率放大器1组合运行,峰值功率放大器2处于关断状态,此组合模式下工作频率为1.1-1.5GHz。所述调制网络1作为当前载波功率放大器的调制网络;调制网络1与调节网络1之间设有第1个功率合成点M1,在第1个功率合成点处M1将两路输出合并,第1个功率合成点处M1之后的调节网络1、调节网络2和匹配网络2共同实现50Ω阻抗在第1个功率合成点处M1处负载阻抗的转换。
在本实施例中,第二个组合模式由载波功率放大器与峰值功率放大器2组合运行,峰值功率放大器1处于关断状态,此组合模式下工作频率为1.6-2.0GHz。调节网络1与调节网络2之间设有第2个功率合成点M2,在第2个功率合成点处M2将两路输出功率合并,所述调制网络1、匹配网络1和调节网络1构成调制网络2并作为当前载波功率放大器的调制网络。最后载波功率放大器、峰值功率放大器1和峰值功率放大器2的晶体管漏极供电偏置网络吸收到调节网络2中。
本实施例的第一个组合模式和第二个组合模式通过对原理图仿真,其结果分别如图4、图5所示。第一个组合模式下,Doherty工作频率在1.1-1.5GHz,饱和点的漏极效率为55-72%,回退6dB时的漏极效率为47-55%,具有很明显的Doherty特性。第二个组合模式下,Doherty工作频率在1.6-2.0GHz,饱和点的漏极效率为61-66%,回退6dB时的漏极效率为44-50%,并且也具有很明显的Doherty特性。
最后应说明的是:以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案,而非对其限制,当然更不是限制本发明的专利范围;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;也就是说,但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色,其所解决的技术问题仍然与本发明一致的,均应当包含在本发明的保护范围之内;另外,将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,从输入端接出,其特征在于,包括N+1个输入匹配网络、一个载波功率放大器、N个峰值功率放大器、一个调制网络1、N个不同的匹配网络、以及N个调节网络,所述N+1个输入匹配网络从输入端并联接出,所述一个载波功率放大器和N个峰值功率放大器的输入端分别与对应一个输入匹配网络的输出端连接,所述调制网络1的输入端与载波功率放大器的输出端连接,所述N个调节网络依次串联且第1个调节网络的的输入端与调制网络1的输出端连接,所述第n个匹配网络的输出端与对应第n个调节网络的输入端相连接,n=1,2,3,...,N。
2.根据权利要求1所述的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,其特征在于,所述调制网络1、第1个匹配网络和第1个调节网络构成调制网络2,所述调制网络2、第2个匹配网络和第2个调节网络构成调制网络3,以此类推,所述所述调制网络n-1、第n-1个匹配网络和第n-1个调节网络构成调制网络n。
3.根据权利要求1所述的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,其特征在于,所述输入端与N+1个输入匹配网络之间设有一个功分器。
4.根据权利要求3所述的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,其特征在于,所述功分器与每个输入匹配网络之间均设有一个相位补偿网络。
5.根据权利要求4所述的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,其特征在于,所述功分器与N个峰值功率放大器对应的相位补偿网络之间设有一个多工器。
6.根据权利要求1所述的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,其特征在于,所述调制网络1与第1个调节网络之间设有第1个功率合成点M1,第1个调节网络与第2个调节网络之间设有第2个功率合成点M2,...,第n-2个调节网络与第n-1个调节网络之间设有第n-1个功率合成点Mn-1,第n-1个调节网络与第n个调节网络之间设有第n个功率合成点Mn,第1个匹配网络的输出端与第1个功率合成点M1相连接,第2个匹配网络的输出端与第2个功率合成点M2相连接,...,第n-1个匹配网络的输出端与第n-1个功率合成点Mn-1相连接,第n个匹配网络的输出端与第n个功率合成点Mn相连接。
7.根据权利要求1所述的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,其特征在于,所述相位补偿网络包括依次串联的微带线M1、电容C1、微带线M2、微带线M3、电阻R1和微带线M4,微带线M3与电阻R1之间的节点、以及电阻R1与微带线M4之间的节点连接有电容C2;所述输入匹配网络包括依次串联的微带线M5、微带线M6、微带线M7和微带线M8,微带线M7与微带线M8之间的节点连接有微带线M9,微带线M9连接有电阻R2,微带线M9与电阻R2之间的节点之间的节点连接有电容C3,电阻R2接入电压输出端VG,电容C3接地。
8.根据权利要求7所述的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,其特征在于,所述载波功率放大器和峰值功率放大器均为功率<10W的晶体管A,晶体管A的基极b连接微带线M8,晶体管A的发射极e接地。
9.根据权利要求8所述的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,其特征在于,所述调制网络1包括依次串联的微带线M10、微带线M11和微带线M12,微带线M10与载波功率放大器对应晶体管A的集电极c连接,微带线M10与微带线M11之间的节点连接有微带线M13;所述调节网络包括串联的微带线M14和微带线M15。
10.根据权利要求9所述的一种多组合模式的宽带或多带Doherty功率放大器架构,其特征在于,所述匹配网络包括串联的微带线M16和微带线M17N,微带线M16与峰值功率放大器对应晶体管A的集电极c连接,微带线M16与微带线M17N之间的节点连接有微带线M18N;所述调节网络N依次串联有微带线M19、微带线M20、微带线M21、电容C4和微带线M22,微带线M22接入至输出端,调节网络N的微带线M15与电阻微带线M19之间的节点连接有微带线M23,微带线M23接入电源输出端VDD,微带线M23与电源输出端VDD之间的节点连接有电容C5,电容C5接地。
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