一种利用频率特性补偿拓展带宽的3路Doherty功率放大器的制作方法

本发明属于无线通信技术领域，具体提供了一种利用频率特性补偿拓展带宽的3路doherty功率放大器结构。

背景技术：

射频功率放大器是无线发射系统中的重要组成部分，会直接影响发射机的整体性能。评估功率放大器的性能指标主要有带宽，输出功率，线性度，效率(分为功率附加效率和漏极效率)等。随着4g通信技术的普及以及5g的来临，非恒包络信号的峰均比已经高达8–9db，甚至是10db以上，传统的单管功率放大器无法在非饱和状态下提供高效率，而doherty结构恰恰能解决这个问题，可以在一定的功率回退区间内提供高效率。但是，由于doherty结构本身的局限性，使其在宽带方面难以拓展，主要是doherty结构在辅助放大器输出端往往需要有阻抗逆置单元，而阻抗逆置单元往往只能在相对较窄的频带内有较好的作用，所以传统的doherty结构已经无法满足新一代通信技术的要求，其必然要朝着超宽带甚至是跨倍频程带宽的方向发展。

现有技术中专利申请号为201120047792.x的专利公开了一种3路doherty高效率放大器，包括第一耦合器、第一吸收负载、第二耦合器、第二吸收负载、第一末级放大器、第二末级放大器、第三末级放大器、1/4波长线和阻抗变换线。为了满足高效率对doherty合路技术进行了改进，传统的doherty合路技术是一个主放大器和一个峰值放大器进行合路，此专利中介绍了改进型doherty技术将包括一个主放大器和两个峰值放大器，由两个工作在c类的峰值放大器和一个主放大器一起构成一个3路doherty放大器，此专利给出了3路doherty放大器的理论依据和结构框架，其提出的3路结构主要是为了拓展放大器的输出功率回退量，其实质是在传统的两路doherty结构上再添加一路放大器以提供第二个输出功率回退点，但并没有提出拓展带宽的方法。

现有2014年ieee检索文章designofabroadbandthree-waysequentialdohertypoweramplifierformodernwirelesscommunications，利用3路doherty结构，实现了在1.85ghz-2.40ghz带宽内，12-14db回退下，回退区间漏极效率达到50％以上。可以看出，文章利用3路doherty结构不仅大大拓展了功率回退量，而且获得了回退区间内的高效率，但是其设计的带宽只有550mhz，相对带宽只有26％左右，依然没有解决doherty结构的带宽问题。

上述的专利和文章所涉及的3路doherty结构，通过设置两个辅助放大器栅极的偏置电压，使其在不同的功率点开启，从而达到输出功率回退量的拓展。如今广泛应用的传统3路doherty结构，主要是为了在更大的功率回退区间内获得高效率，其3条支路均工作在同一频段内。

技术实现要素：

本发明利用多路频率特性补偿技术，合理设计3路doherty结构，提供一种在更宽的频带内，实现在功率回退区间内达到高效率的3路doherty结构的功率放大器。

本发明针对doherty结构的放大器难以拓展频带的缺陷，将传统的获得大回退的3路doherty结构改造成一种利用频率特性补偿拓展带宽的3路doherty功率放大器，该放大器包括功率分配单元，主放大支路，第一辅助放大支路，第二辅助放大支路，频率合成单元，阻抗变换器，负载；所述主放大支路、第一辅助放大支路、第二辅助放大支路的输入端连接共同的功率分配单元；主放大支路、第一辅助放大支路、第二辅助放大支路的输出端共同连接频率合成单元，频率合成单元再依次连接阻抗变换单元和负载；所述主放大支路顺信号传输路径依次包括：主输入补偿线单元、主输入匹配单元、主放大器、主输出匹配单元、主输出补偿线单元；所述第一辅助放大支路顺信号传输路径依次包括：第一辅助补偿线单元、第一辅助输入匹配单元、第一辅助放大器、第一辅助输出匹配单元、第一辅助输出补偿线单元；所述第二辅助放大支路顺信号传输路径依次包括：第二辅助补偿线单元、第二辅助输入匹配单元、第二辅助放大器、第二辅助输出匹配单元、第二辅助输出补偿线单元。

进一步的，放大器工作时第一辅助放大支路与第二辅助放大支路同时开启；所述主放大支路工作频率范围为[f1,f4]，第一辅助放大支路工作频率范围为[f1,f3]，第二辅助放大支路工作频率范围为[f2,f4]，其中f1＜f2≤f3＜f4。

本发明在传统结构中加入多路频率补偿特性，并让两个辅助放大器同时开启，但分别工作在不同的频段内，合成后形成频带更宽的doherty功率放大器，而功率回退量完全由主放大器决定。传统的doherty结构主要是由于辅助支路的阻抗逆置单元无法在宽频带内有较好的效果，导致匹配不佳，效率受损，而本发明提出的结构，让两个辅助支路分别工作在不同的频段内，减小了宽带对阻抗逆置单元的影响，从而辅助支路的设计会相对容易很多，再利用频率合成单元对两个辅助支路进行合成从而适应整个频段，上文提及的频率f2和f3需要结合滤波器模型进行仿真确定参数，而输出功率回退量主要由主放大支路决定，为了确保10db以上的回退量，主放大器往往选用小功率晶体管，而辅助放大器往往选用大功率晶体管，辅助放大支路和主放大支路的饱和输出功率比越大，回退量就越大，一般功率比3:1就可以达到12db左右的回退量。

附图说明

图1是简略的传统3路doherty结构功率放大器原理框图；

图2是不同频段的带通滤波器仿真图以及合成后的仿真验证图；

图3是本发明提供的利用频率补偿特性拓展带宽的3路doherty功率放大器原理框图；

具体实施方式

下面针对附图对本申请进行详细的说明。

图1给出了简略的传统3路doherty结构原理框图，由功率分配单元、主放大器、第一辅助放大器、第二辅助放大器、负载和四个1/4波长线组成，分别为z01、z02、z03、z04，通过设定各放大器的峰值输出功率来确定功率回退量，主放大器提供第一个高效率功率回退点，第一辅助放大器提供第二个高效率功率回退点，并且3路功率放大器均工作在相同的频段内，3路直接合成。

图2以具体实例给出了不同频带内的带通滤波器仿真图，以及合成后的仿真图，用来验证不同频段利用补偿特性合成后效果如何。(a)是通带为250mhz-650mhz，截止频率的边缘衰减为30db的带通滤波器仿真图，(b)是通带为450mhz-950mhz，截止频率的边缘衰减为30db的带通滤波器仿真图，(c)是(a)和(b)合成后的250mhz-950mhz仿真结果。可以发现，通过合理设计滤波器的通带频率(尤其是通带的交叠频率)和截止频率处的边缘衰减量，两路合成利用频率补偿可以达到通带拓展的目的，功率放大器的性能很大程度上由其匹配网络决定，而匹配网络的设计实际上与滤波器相似，都是为了达到通带内的无损耗传输，所以此特性可以应用在功率放大器的合成网络中。

图3是本发明提供的利用频率补偿特性拓展带宽的3路doherty放大器的原理框图，在这里更加细化了传统结构的各部分结构，有利于设计者进行快速电路设计，下面介绍一下各模块的主要作用。模块1为输入补偿单元，包括主输入补偿线、第一输入补偿线、第二输入补偿线，主要用于补偿各放大器由于偏置电压的不同引起的延时差以及信号经过功率分配单元造成的相位差，模块2为输入匹配单元，包括主输入匹配、第一输入匹配、第二输入匹配，信号从输入端经过功率分配单元到各晶体管的栅极之间，会由于阻抗不匹配造成功率和效率的损耗，匹配是为了信号在整个带宽内达到最大功率传输，模块3为放大单元，包括主放大器、第一辅助放大器、第二辅助放大器，信号经过放大后获得增益，模块4为输出匹配单元，包括主输出匹配、第一输出匹配、第二输出匹配，输出匹配的作用和输入匹配相同，为了使信号从晶体管的漏极到负载达到最大功率传输，模块2和模块4的匹配网络不仅要采用宽带匹配设计原则，更要具有选频特性，从而让3条支路分别工作在不同的频段内，模块5为输出补偿单元，包括主输出补偿线、第一输出补偿线、第二输出补偿线，信号经过放大后，每路信号会有不同程度的相位偏差，输出补偿主要是为了补偿放大后的信号相位差，通常与输入补偿一起协调设计，使得3路信号在合成时避免不必要的功率损耗，阻抗变换单元是把负载阻抗(一般为50ohm)变换到合适的阻抗值，以减小阻抗变换比，利于宽带匹配设计。

传统的3路doherty结构，两个辅助放大器的栅极一般偏置在不同的电压下，从而在不同时间开启，本发明提出的结构，两个辅助放大器栅极偏置在相同的电压下同时开启，但工作在不同的频段(频段会有一定的交叠)，如图3所示，所述主放大支路工作频率范围为[f1,f4]，第一辅助放大支路工作频率范围为[f1,f3]，第二辅助放大支路工作频率范围为[f2,f4]，其中f1＜f2≤f3＜f4。

以上的实施方式从可行性，创新性，电路结构方面进行了具体地阐述，可以看出，本发明把利用多路频率补偿特性，把传统的3路doherty结构改造成可以明显拓展带宽的新型3路doherty结构，为跨倍频程doherty放大器提供了一个可行的解决方案。