一種并發(fā)結構Doherty功率放大器及其設計方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線通信技術領域，具體涉及一種應用于無線通信系統(tǒng)中的并發(fā)結構Doherty功率放大器及其設計方法。該放大器，包含N個并聯(lián)通路，2≤N，每個通路分別包含依次連接的輸入濾波器模塊，Doherty放大器模塊和輸出濾波器模塊。通過輸入濾波器模塊分離輸入信號的頻段，實現(xiàn)信號的分離并分配到對應Doherty放大器模塊的輸入匹配網(wǎng)絡；輸出濾波器模塊，用于各路之間不同頻率信號的輸出隔離并消除串擾。本發(fā)明設計方法的匹配網(wǎng)絡簡潔，可實現(xiàn)媲美窄帶的效果，充足的N帶并發(fā)輸出功率，對諧波的靈活控制。
【專利說明】
一種并發(fā)結構Doherty功率放大器及其設計方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術領域，具體涉及一種應用于無線通信系統(tǒng)中的并發(fā)結構 Doherty功率放大器及其設計方法。
【背景技術】
[0002] 在無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射機中功率放大器的作用越來越重要，而功率、帶寬、效率 增益、線性度始終是功率放大器最關鍵的因素。隨著無線通信系統(tǒng)的急速發(fā)展，對于功率放 大器的要求也日益增多，如線性功放、寬帶功放和高回退功放等等。
[0003] 近年來，現(xiàn)代通信系統(tǒng)的引入極大的推進了雙帶以及多帶功率放大器的發(fā)展，尤 其是工作于基站的功率放大器。Doherty功率放大器由于其優(yōu)越的回退效率和線性，成為了 寬帶高峰均比信號的情況下設計放大器的首選。非單帶功放，尤其是雙帶Doherty功放的應 用，對于硬件及軟件產(chǎn)生了極大的節(jié)省，這些又反過來推動了學者們對于無線通信系統(tǒng)中 雙帶功率放大器的研究。
[0004] 很多學者在研究雙帶及多帶Doherty功放，也取得了很多成果。多帶Doherty與寬 帶Doherty功放相比，首先，受限于Doherty自身的負載調(diào)制結構，寬帶Doherty功放本身就 很難實現(xiàn)，若要在一個寬的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)對每一個頻點的最優(yōu)匹配則幾乎是不可能的， 而且并非整個帶寬內(nèi)均是通信系統(tǒng)的使用頻點，而雙帶Doherty功放提供了一個在限制頻 帶內(nèi)對雙拼載波最優(yōu)控制的一個解決方案，從而可以使通信系統(tǒng)在兩個通帶內(nèi)獲得更好的 效果以提升整個系統(tǒng)的性能。此外，在多模多帶電路系統(tǒng)中，多帶功放更具有優(yōu)勢，尤其是 系統(tǒng)不同通帶相差較遠的情況。
[0005] 即便雙帶Doherty功放僅涉及兩個工作頻段，但是在實際應用中，若僅考慮基波和 二次諧波時，雙帶Doherty功率放大器的輸出匹配網(wǎng)絡應當至少在四個頻點滿足最優(yōu)阻抗。 傳統(tǒng)雙帶Doherty放大器的負載調(diào)整部分、相位補償線以及功率分配器的設計需要考慮同 時滿足兩個頻段的網(wǎng)絡特性，設計難度極大，而且實現(xiàn)效果較差。同時，負載調(diào)制在射頻天 線之前，諧波就應當被抑制。對于傳統(tǒng)雙帶Doherty功放而言，就意味著在至少四個頻點實 現(xiàn)最優(yōu)阻抗匹配，并抑制諧波，這樣的輸出匹配網(wǎng)絡、負載調(diào)制以及相位補償線是很難實現(xiàn) 的，尤其是當雙帶Doherty功放的一個通帶的諧波頻率與另一個通帶的基波頻率接近甚至 重合的情況，即使實現(xiàn)，也是在損失功率放大器的其他指標為代價的前提下實現(xiàn)的。
[0006] 現(xiàn)有的雙帶Doherty 功率放大器技術如：P. Saad，P. Co lan tonio，L.Piazzon, F.Giannini,K.Andersson,and C.Fager,"Design of a concurrent dual-band 1.8-2.4-ghz gan-hemt doherty power amplif ier /'Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vo 1 · 60 ,no · 6 ,pp · 1840 -1849, June 2012 ·中所報道，兩個通帶分別為 1.8GHz和2.4GHz，增益分別為11.8dB和10dB，兩個通帶內(nèi)輸出功率均為43dBm，輸出回退6dB 后的漏極效率分別為60%和44%，漏極飽和效率分別為64%和54%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述存在問題或不足，本發(fā)明提供了一種并發(fā)結構Doherty放大器，該并發(fā)結 構Doherty放大器的設計方法可簡化非單帶Doherty功放設計的復雜度，以實現(xiàn)非單帶 Doherty功率放大器。
[0008] 該并發(fā)結構Doherty功率放大器，包含N個并聯(lián)通路，2SN，每個通路分別包含依次 連接的輸入濾波器模塊，Doherty放大器模塊和輸出濾波器模塊。
[0009] 所述輸入濾波器模塊，由一個濾波器構成，用于分離輸入信號的頻段，實現(xiàn)信號的 分離并分配到對應頻率功率放大器的輸入匹配網(wǎng)絡，來確保濾除該路功率放大器工作頻率 外的信號。
[00?0]所述Doherty放大器模塊是傳統(tǒng)單帶結構的Doherty功率放大器，包括:功率分配 器、主路輸入匹配網(wǎng)絡、主路晶體管、主路輸出匹配網(wǎng)絡、輔路輸入匹配網(wǎng)絡、輔路晶體管、 輔路輸出匹配網(wǎng)絡、負載調(diào)制電路和相位修正電路。各電路與輸入濾波器模塊的應用頻率 對應。
[0011] 所述輸出濾波器模塊，由一個濾波器構成，用于各路之間不同頻率信號的輸出隔 離并消除串擾。
[0012] 上述N個通路的輸入濾波器模塊構成一個輸入濾波網(wǎng)絡，經(jīng)整合端接信號輸入端， 輸出濾波器模塊構成一個輸出濾波網(wǎng)絡經(jīng)整合端接信號輸出端。
[0013] 其信號傳遞過程為：
[0014] 輸入信號首先經(jīng)過信號輸入端傳至輸入濾波網(wǎng)絡，輸入濾波網(wǎng)絡中的各頻段輸入 濾波器模塊把輸入信號按頻段進行分離。
[0015] 接下來，分離后的信號將被并行分配到相應頻率功率Doherty放大器模塊的輸入 匹配網(wǎng)絡模塊，經(jīng)Doherty放大器模塊處理。
[0016] 然后從Doherty放大器模塊的輸出匹配網(wǎng)絡傳遞至對應的輸出濾波器模塊，以實 現(xiàn)各路之間信號的輸出隔離、消除串擾以及信號合成。
[0017] 最后各路并行信號在信號輸出端實現(xiàn)合成。
[0018] 其設計方法包括：
[0019] 步驟1、設計輸入濾波網(wǎng)絡分離輸入信號中的各頻段，實現(xiàn)信號的分離并分 配到相應頻率功率Doherty放大器模塊的輸入匹配網(wǎng)絡，Ln為支路N的輸入濾波器模塊；
[0020] 步驟2、Ai~AN分別作為相應頻段信號的Doherty放大器模塊。
[0021]步驟3、設計輸出濾波網(wǎng)絡出~抱用于各路之間不同頻率信號的輸出隔離，消除各 路之間的信號串擾，Hn為支路N的輸出濾波器模塊。
[0022]步驟4、將輸入濾波器模塊、Doherty放大器模塊和輸出濾波器模塊依次按照Lm-Am-Hm對應級聯(lián)構成各個通路，再將各通路并聯(lián)，其中KM<N，2<N。
[0023]步驟5、將各通路并聯(lián)后，輸入濾波網(wǎng)絡的整合端接信號輸入端，輸出濾波網(wǎng)絡的 整合端接信號輸出端。
[0024]本發(fā)明的并發(fā)結構Doherty功率放大器通過在各路的輸入端口處分別設置輸入濾 波器，來隔離其余頻段的信號以保證每一路僅有該路頻段的信號可以進入，并在各路的輸 出端口處設置濾波器用于各路之間不同頻率信號的輸出隔離并消除串擾。通過這種設計的 方法，并發(fā)Doherty功率放大器的各路可以分別進行設計，以在每個通帶均實現(xiàn)可以媲美窄 帶Doherty功率放大器的效果。
[0025]首先，對于諧波的更好抑制。整個并發(fā)結構Doherty功率放大器包含有N個通路，每 個通路分別包含一個獨立設計工作在相應頻段的放大器，以及兩個對應的濾波器，來確保 濾除該路功率放大器工作頻率外的信號。因此，放大器產(chǎn)生的諧波信號可以更好的得到抑 制，而交調(diào)分量則根本不會產(chǎn)生。
[0026] 其次，每路兩個濾波器可對每路的Doherty功率放大器進行單獨設計而互不影響， 極大的避免了傳統(tǒng)N帶Doherty放大器的N帶負載調(diào)整部分的設計、相位補償線的設計和功 率分配器的設計需要考慮同時滿足N個頻段的網(wǎng)絡特性，設計難度極大，而且實現(xiàn)效果較 差。使得該并發(fā)結構N帶Doherty功放中每路Doherty功放的設計效果和一般單帶Doherty功 放所能達到的效果相當從而提升N帶Doherty功放的性能。
[0027]最后，當在該并發(fā)結構N帶Doherty功率放大器的輸入端施加 N帶并發(fā)的情況下，該 并發(fā)結構N帶Doherty功率放大器比一般結構N帶Doherty功率放大器能保證更加穩(wěn)定的放 大器增益與輸出功率，尤其是輸入的N帶信號均為大功率信號時，該并發(fā)結構N帶Doherty所 能提供的輸出功率是一般結構N帶Doherty功率放大器的N倍。
[0028]為了抑制交調(diào)分量和二次諧波，并發(fā)結構N帶Doherty功率放大器每一路的輸入輸 出匹配網(wǎng)絡模塊都加入了濾波網(wǎng)絡模塊。濾波網(wǎng)絡模塊分為兩類，一類是輸入濾波網(wǎng)絡模 塊;另一類是輸出濾波網(wǎng)絡模塊。輸入濾波網(wǎng)絡模塊的功能就是阻止N帶信號的其余帶寬信 號進入當前的通路;輸出濾波網(wǎng)絡則是為了抑制諧波分量，并阻止輸出信號之間的互相影 響。
[0029] 綜上所述，本發(fā)明的效果是：簡潔的匹配網(wǎng)絡設計方法，可媲美窄帶的實現(xiàn)效果， 充足的N帶并發(fā)輸出功率，對諧波的靈活控制。
【附圖說明】
[0030] 圖1是傳統(tǒng)雙帶Doherty功率放大器的框圖結構；
[0031 ]圖2是本發(fā)明Doherty功率放大器的結構示意圖；
[0032]圖3是實施例的實物圖；
[0033] 圖4是實施例的結構框圖；
[0034] 圖5是實施例的輸出濾波器模塊的詳細結構示意圖；
[0035]圖6是實施例單音信號和雙音并發(fā)信號的測試結果圖；
[0036] 附圖標記:輸入濾波器模塊-100、輸入匹配網(wǎng)絡模塊-200、功率放大器模塊-300、 輸出匹配網(wǎng)絡模塊-400、輸出濾波器模塊-500, Doherty放大器模塊-A。
【具體實施方式】：
[0037] 為了使本發(fā)明實施例的目的、技術方案更加明確清晰，在下文中，將參照本發(fā)明中 的附圖，以一個雙帶Doherty功率放大器的具體應用為實例，對本發(fā)明所提出的拓撲結構和 技術的具體實施應用方式做出詳細闡述。
[0038]傳統(tǒng)雙帶Doherty功率放大器的框圖結構如圖1所示;本實施例的結構如圖4所示。
[0039] 輸入濾波器模塊包括低頻輸入濾波器模塊L1和高頻輸入濾波器模塊L2實現(xiàn)信號 的高低頻分離，再并行分配至Doherty放大器模塊A1。
[0040] 輸出濾波器模塊包括低頻輸出濾波器模塊H1和高頻輸出濾波器模塊H2實現(xiàn)信號 的輸出隔離和消除串擾。
[0041]信號輸出端實現(xiàn)兩路并行信號的合成。
[0042]以圖2中本發(fā)明并發(fā)N帶Doherty結構功率放大器的結構示意圖來做信號傳輸過程 的詳細說明。
[0043] 低頻放大電路和高頻放大電路又可分別按結構細分為:低頻輸入濾波器模塊101、 低頻輸入匹配網(wǎng)絡模塊201、低頻Doherty功率放大器模塊301、低頻輸出匹配網(wǎng)絡模塊401、 低頻輸出濾波器模塊501和高頻輸入濾波器模塊102、高頻輸入匹配網(wǎng)絡模塊202、高頻 Doherty功率放大器模塊302、高頻輸出匹配網(wǎng)絡模塊402、高頻輸出濾波器模塊502。
[0044] 輸入信號首先經(jīng)過輸入濾波網(wǎng)絡100,輸入濾波網(wǎng)絡100中的低頻輸入濾波器模塊 101和高頻輸入匹配網(wǎng)絡模塊102把輸入信號中的低頻部分和高頻部分進行分離;接下來， 分離后的信號將被并行分配到相應頻率功率放大器的低頻輸入匹配網(wǎng)絡模塊201和高頻輸 入匹配網(wǎng)絡模塊202,分別用于低頻功率放大器和高頻功率放大器的輸入匹配，匹配網(wǎng)絡用 于放大器的輸入匹配，以實現(xiàn)最大能量傳輸;然后分別依次級聯(lián)Doherty功率放大器301及 低頻輸出匹配網(wǎng)絡401和Doherty功率放大器302及高頻輸出匹配網(wǎng)絡402;之后，低頻輸出 匹配網(wǎng)絡模塊401和高頻輸出匹配網(wǎng)絡模塊402的輸出信號分別進入低頻輸出濾波器模塊 501和高頻輸出濾波器模塊502,以實現(xiàn)兩路之間信號的輸出隔離、消除串擾。最后兩路并行 信號在信號的輸出端實現(xiàn)合成。
[0045]以一個1.8GHz/2.5GHz的并發(fā)結構雙帶Doherty功率放大器的設計與測試為例，進 行設計步驟闡述。其版圖結構如圖3所示。
[0046] 本發(fā)明所提出的新型并發(fā)結構雙帶Doherty功率放大器拓撲結構應用實例的框圖 結構如圖4所示。
[0047] 在圖2中，如果兩路信號在進入各自支路之前，非本路頻率的信號全部被輸入濾波 器L1和H1所濾除，那么功率放大器將不會產(chǎn)生交調(diào)產(chǎn)物，另外輸出端口的濾波器也可以更 好的抑制諧波。
[0048]如圖5所示，當1.8GHz的的輸入信號進入濾波器lb的時候，它的二次諧波和三次諧 波通過兩個四分之一波長的開路線短路到地，而對于2.5GHz的信號，則被一段四分之波長 的開路線和一段四分之一波長的傳輸線阻遏(2 11^=0@2.56他）。同理，在如節(jié)點處，輸入 阻抗Zin,b= °°@1.8GHz。那么，兩路Doherty放大器的輸出端可以直接連接在一起，而幾乎不 產(chǎn)生影響。這就意味著，兩路的Doherty放大器可以分別進行設計，從而避免傳統(tǒng)雙帶 Doherty負載調(diào)整部分、相位補償線等矛盾點。
[0049]考慮到在1.8GHz和2.5GHz處，其最優(yōu)阻抗的實部大約分別是25歐姆和19歐姆，圖5 中傳輸線TLal、TLa2、TLbl和TLb2被設計為：Zout，a = 250hm@l .8GHz，Zout，b = 190hm@ 2.5GHz.
[0050]這就意味著，這兩個工作頻段是相互獨立的，它們的基波信號不會相互干擾，并且 它們所傳輸?shù)哪芰靠梢匀渴┘佑谪撦d之上。
[0051]通過上述的分析，如圖5所示為本發(fā)明所提出的新型并發(fā)結構雙帶Doherty功率放 大器拓撲結構應用實例的輸出濾波器模塊的詳細結構。
[0052]輸入濾波網(wǎng)絡L1由一段四分一波長的開路線和一段四分之一波長的傳輸線構成。 那么，在1.8Ghz處滿足Zin2,a =①，在2.5Ghz處滿足Zinl,a =通過這種設計方法，1.8GHz的 低頻信號和2.5GHz的高頻信號在進入它們分別得匹配網(wǎng)絡之前就已經(jīng)完全隔離開了，這樣 就可以對低頻和高頻的輸入匹配網(wǎng)絡分別進行設計而不互相影響。極大的避免了傳統(tǒng)雙帶 Doherty放大器的負載調(diào)整部分、相位補償線以及功率分配器的設計需要考慮同時滿足兩 個頻段的網(wǎng)絡特性，設計難度極大，而且實現(xiàn)效果較差。
[0053]圖6分別為本發(fā)明所提出拓撲結構實例單音信號和雙帶并發(fā)信號的測試結果圖。 表1為本發(fā)明所提出拓撲結構應用實例與近年來學術界所報道窄帶、雙帶Doherty功放的對 比。通過對比現(xiàn)有技術雙帶功放，本發(fā)明所提出拓撲結構應用實例有著明顯的優(yōu)勢，尤其是 在增益和漏極效率等參數(shù)上。
[0054]表1:本發(fā)明所提出拓撲結構應用實例的實際測試結果。
[0055]
[0056] *1:單音測試模式;*2:雙帶并發(fā)模式。
【主權項】
1. 一種并發(fā)結構Doherty功率放大器，包含N個并聯(lián)通路，2<N，其特征在于:每個通路 分別包含依次連接的輸入濾波器模塊，Doherty放大器模塊和輸出濾波器模塊； 所述輸入濾波器模塊，由一個濾波器構成，用于分離輸入信號的頻段，實現(xiàn)信號的分離 并分配到對應頻率功率放大器的輸入匹配網(wǎng)絡，來確保濾除該路功率放大器工作頻率外的 信號； 所述Doherty放大器模塊是傳統(tǒng)單帶結構的Doherty功率放大器，包括:功率分配器、主 路輸入匹配網(wǎng)絡、主路晶體管、主路輸出匹配網(wǎng)絡、輔路輸入匹配網(wǎng)絡、輔路晶體管、輔路輸 出匹配網(wǎng)絡、負載調(diào)制電路和相位修正電路，各電路與輸入濾波器模塊的應用頻率對應； 所述輸出濾波器模塊，由一個濾波器構成，用于各路之間不同頻率信號的輸出隔離并 消除串擾； 上述N個通路的輸入濾波器模塊構成一個輸入濾波網(wǎng)絡經(jīng)整合端接信號輸入端，輸出 濾波器模塊構成一個輸出濾波網(wǎng)絡經(jīng)整合端接信號輸出端。2. 如權利要求1所述并發(fā)結構Doherty功率放大器，其信號傳遞過程為： 輸入信號首先經(jīng)過信號輸入端傳至輸入濾波網(wǎng)絡，輸入濾波網(wǎng)絡中的各頻段輸入濾波 器模塊把輸入信號按頻段進行分離； 接下來，分離后的信號將被并行分配到相應頻率功率Doherty放大器模塊的輸入匹配 網(wǎng)絡模塊，經(jīng)Doherty放大器模塊處理； 然后從Doherty放大器模塊的輸出匹配網(wǎng)絡傳遞至對應的輸出濾波器模塊，以實現(xiàn)各 路之間信號的輸出隔離、消除串擾以及信號合成； 最后各路并行信號在信號輸出端實現(xiàn)合成。3. 如權利要求1所述并發(fā)結構Doherty功率放大器，其設計方法包括以下步驟： 步驟1、設計輸入濾波網(wǎng)絡分離輸入信號中的各頻段，實現(xiàn)信號的分離并分配到 相應頻率功率Doherty放大器模塊的輸入匹配網(wǎng)絡，Ln為支路N的輸入濾波器模塊； 步驟2、Ai~AN分別作為相應頻段信號的Doherty放大器模塊； 步驟3、設計輸出濾波網(wǎng)絡出~抱用于各路之間不同頻率信號的輸出隔離，消除各路之 間的信號串擾，Hn為支路N的輸出濾波器模塊； 步驟4、將輸入濾波器模塊、Doherty放大器模塊和輸出濾波器模塊依次按照Lm-Am-Hm對 應級聯(lián)構成各個通路，再將各通路并聯(lián)，其中1 <M<N，2SN; 步驟5、將各通路并聯(lián)后，輸入濾波網(wǎng)絡的整合端接信號輸入端，輸出濾波網(wǎng)絡的整合 端接信號輸出端。
【文檔編號】H03F3/24GK106026934SQ201610334799
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】何松柏, 亓天, 代志江, 史衛(wèi)民
【申請人】電子科技大學