基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器的制作方法

本实用新型涉及移动通信
技术领域：
，特别涉及一种基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器。
背景技术：
：在现代通信系统中，频率资源是最为稀缺的资源之一，为了提高频谱利用率，往往使用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用技术)、CDMA(CodeDivisionMultipleAccess，码分多址技术)等现代调制方式。然而，这些现代调制方式在提高频谱利用率的同时，也带来了高峰均比PAPR(PeaktoAveragePowerRatio，峰值平均功率比)的问题。这种高PAPR对射频前端，尤其是射频功率放大器的设计带来了困难，尤其是对功率放大器的效率指标带来了不利的影响。传统的AB类线性功率放大器在饱和功率附近有较高的效率，而当输出功率降低时，其效率急剧下降。由于在高PAPR下功率放大器大部分时间工作在回退功率区，使得AB类功率放大器的效率远远低于起饱和效率。可以说，高PAPR是现代通信系统中使用的功率放大器必须要应对的困难之一。另一方面，随着通信技术的发展，有越来越多的3G/4G/5G通信系统被标准化并投入运营，这些通信系统被分配在广阔的频段上。在这种背景下，当今同一个运营商同时在多个频段上运营多个不同模式的通信系统成为一种常态。双频功放由于可以工作在两个相距较远的通信频段，可以大大降低射频前端的复杂度，受到了设备制造商和运营商的广泛关注。在目前的4G基站中，双频功放已经得到实际应用，展现出巨大的优势。由于6GHz以下通信频段已经拥挤不堪，在未来的5G通信中，为了大幅提高通信速率，毫米波频段将会被采用。国际电联(ITU)在2015年举行的世界无线电通信大会(WRC-15)上，初步拟定了全球可行频率列表，包括24.25-27.5GHz、31.8-33.4GHz、37-40.5GHz等频段。美国联邦通信委员会(FCC)开放了28GHz、37GHz、39GHz和64-71GHz毫米波频段，并将其纳入5G标准中。可见，在5G通信中将会有多个毫米波频段被采用，客观上提出了对双频甚至多频毫米波功放的需求。综上，高PAPR和多个毫米波工作频段，将会是5G通信基站中功率放大器设计的难点和重点之一。其中为了在高PAPR环境下保持高效率，有多种技术方案可供选择，例如Doherty技术、包络跟踪技术、序列功率放大器技术等，这些技术在公知文献1(RFPowerAmplifiersforWirelessCommunications,2ndEdition,SteveC.Cripps)与公知文献2(AdvancedTechniquesinRFPowerAmplifierDesign,SteveC.Cripps)中有详细的论述，在这里不再重复。在这些技术中，Doherty技术由于其结构简单，效率高，可以与传统功率放大器原位替换等优点，成为在通信基站中应用最为广泛的高效率功率放大器技术。例如图1所示，展示了传统Doherty功率放大器的结构，其中包含两只功放管，即主功放管Main和辅功放管Aux，通常其中Main偏置为AB类，Aux则偏置为C类。在输出端，主功放输出匹配网络OMN_Main和辅功放输出匹配网络OMN_Aux分别负责两只功放管的输出阻抗匹配。后匹配网络PMN将50欧姆负载匹配为25欧姆。Offset_Main和Offset_Aux是特性阻抗为50欧姆的相移线，负责回退功率下的阻抗匹配。在输入端，二分配器SPLIT将输入功率分为两路，主功放输入匹配网络IMN_Main和辅功放输入匹配网络IMN_Aux分别将Main和Aux的输入阻抗匹配到50欧姆，并由相移线Phaseline补偿主路和辅路的相位差。传统Doherty功率放大器的工作原理可以分为低功率区和高功率区两个区域分析，两个区域以C类辅功放管开启为界。在低功率区，辅功放管处于截止状态，Doherty结构要求Offset_Aux合理设计，使得Z2B尽可能接近开路。由于为开路，此时Z1T＝25欧姆，Doherty结构要求Offset_Main和OMN_Main结合可以将25欧姆变换为尽可能接近ZBO的阻抗Z1，其中ZBO为使得Main在回退功率下取得最大效率的负载阻抗，可以通过Loadpull方法得到。综上，由于在低功率区有Z2B为开路，因此Aux的输出电路与Main的输出电路隔离，等效电路如图2所示。在高功率区，随着Aux的开启，由于Aux输出信号对Main输出信号的牵引作用，Z1T和Z2T逐渐发生变化，这就是所谓的有源负载牵引作用。在饱和点，这种牵引作用的效果达到最大，此时Doherty功放的工作状态如图3所示。如图3所示，在饱和点，Z1T和Z2T相等，均为50欧姆，而Doherty结构要求OMN_Main和OMN_Aux都可以将50欧姆的负载阻抗分别变换为Z1＝Z2＝ZSat。其中ZSat为使得功放管在饱和功率下可达到最大效率的负载阻抗，也可以由Loadpull方法得到。由于Offset_Main和Offset_Aux的特性阻抗为50欧姆，所以它们对OMN_Main和OMN_Aux的匹配效果没有影响。由于Aux的阻抗牵引作用，Main在低功率区和高功率区可具有不同的负载阻抗，通过合理的设计OMN_Main和OMN_Aux，以及Offset_Main和Offset_Aux这两段相移线，可使得Main在低功率区和饱和点都具有高效率。与普通AB类功放相比，Doherty功放大大提升了高PAPR激励下的效率。为了设计出双频Doherty功放，不仅要求主辅功放的输入输出匹配网络为双频匹配网络，还要求相移线为双频相移线，即在两个设计频率上都可以产生所需的相移，同时保持50Ohm的特性阻抗。在目前的双频Doherty设计中，常采用如图4所示的双频线，从左到右依次为π型结构、T型结构、耦合线。这些结构虽然可以实现双频相移的效果，但通常尺寸较大，线宽可能会不合理，而且带宽很窄，这些问题限制了它们在毫米波频段的应用。由于很强的分布参数效应，毫米波功放必须用集成电路工艺实现，较大的双频线尺寸意味着较大的芯片面积，大大增加了加工成本。另外，在毫米波频段无源元件的损耗较大，如果双频线尺寸很大，其引入的损耗会严重降低功放的性能，当线宽不合理时影响会更明显。集成电路工艺通常存在加工误差，双频线带宽过窄会导致实际的双频相移严重偏离设计值，使得实际加工出来的双频Doherty功放实现不了双频性能。因此，毫米波双频Doherty功放的实现难点在于高性能双频相移线的实现，随着5G通信进程的加快，这个问题亟待解决。技术实现要素：本实用新型旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本实用新型的目的在于提出一种基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器，采用普通单频传输线实现双频相移功能，克服了传统双频传输线在毫米波频段存在的尺寸大、损耗高、带宽窄的问题，可以大大提高双频相移线的性能。为了实现上述目的，本实用新型提出了一种基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器，包括：双频功率分配器、主功放双频输入匹配网络、辅功放双频输入匹配网络、主功放管、辅功放管、主功放双频输出匹配网络、辅功放双频输出匹配网络和双频后匹配网络，其中，所述双频功率分配器、主功放双频输入匹配网络、主功放管、主功放双频输出匹配网络和双频后匹配网络依次相连；所述双频功率分配器、辅功放双频输入匹配网络、辅功放管、辅功放双频输出匹配网络和双频后匹配网络依次相连；所述双频功率分配器通过第一预设长度的第一单频传输线与所述主功放双频输入匹配网络相连，所述主功放双频输出匹配网络通过第二预设长度的第二单频传输线与所述双频后匹配网络相连，所述辅功放双频输出匹配网络通过第三预设长度的第三单频传输线与所述双频后匹配网络相连。另外，根据本实用新型上述的基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器还可以具有如下附加的技术特征：在一些示例中，所述双频功率分配器在第一设计频率f1和第二设计频率f2处将输入功率合理分配到主功放和辅功放，其中，所述第一设计频率f1小于所述第二设计频率f2。在一些示例中，当工作在所述第一设计频率f1时，得到第一单频传输线对应的相移ThetaP1、第二单频传输线对应的相移ThetaM1和第三单频传输线对应的相移ThetaA1，其中，所述ThetaM1在具有第一预设取值范围；当工作在所述第二设计频率f2时，得到第一单频传输线对应的相移ThetaP2、第二单频传输线对应的相移ThetaM2和第三单频传输线对应的相移ThetaA2，其中，所述ThetaM2在具有第二预设取值范围。在一些示例中，其中，f2/f1＝k，ThetaM2＝k*ThetaM1，k为工作频率比。在一些示例中，所述第一单频传输线、第二单频传输线和第三单频传输线的特性阻抗均为50欧姆。在一些示例中，所述第一设计频率f1为28GHz，所述第二设计频率f2为39GHz。在一些示例中，主功放管和辅功放管相同，其中，主功放偏置为AB类，末级漏极电压为4V；辅功放偏置为C类，末级电压设置为4.5V。在一些示例中，所述主功放管和辅功放管均采用两级结构，驱动级和功率级的晶体管尺寸分别为2X75um和4X75um。在一些示例中，所述双频功率分配器为宽非等分威尔金森功分器。在一些示例中，所述双频后匹配网络为两级微带线结构。根据本实用新型的基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器，采用普通单频传输线实现双频相移功能，克服了传统双频传输线在毫米波频段存在的尺寸大、损耗高、带宽窄的问题，可以大大提高双频相移线的性能，助于实现高性能的毫米波双频Doherty功率放大器。另外，由于普通传输线的性能对工艺误差不敏感，因此提高了设计的可靠性。本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。附图说明本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是传统Doherty功率放大器的结构示意图；图2是传统Doherty功率放大器在低功率区的等效电路示意图；图3是传统Doherty功率放大器在高功率区饱和点的工作状态示意图；图4传统Doherty功率放大器采用的双频传输线的结构示意图；图5是根据本实用新型一个实施例的基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器的结构示意图；图6是根据本实用新型一个实施例基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器工作在第一设计频率f1处的Doherty功放结构示意图；图7是根据本实用新型一个实施例基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器工作在第二设计频率f2处的Doherty功放结构示意图；图8是根据本实用新型一个实施例基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器用单频线实现双频相移的示意图；图9是根据本实用新型的一个具体实施例的28GHz/39GHz双频Doherty功率放大器结构示意图；图10是根据本实用新型的一个具体实施例的双频功放的输入匹配电路结构示意图；图11是根据本实用新型的一个具体实施例的双频功放的级间匹配电路结构示意图；图12是根据本实用新型的一个具体实施例的双频功放的输出匹配电路结构示意图；图13是根据本实用新型的一个具体实施例的50欧姆到25欧姆的双频后匹配网络PMN的结构示意图。具体实施方式下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。以下结合附图描述根据本实用新型实施例的基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器。图5是根据本实用新型一个实施例的基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器结构示意图。如图5所示，该基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器包括：双频功率分配器110、主功放双频输入匹配网络120、辅功放双频输入匹配网络130、主功放管140、辅功放管150、主功放双频输出匹配网络160、辅功放双频输出匹配网络170和双频后匹配网络180。其中，双频功率分配器110、主功放双频输入匹配网络120、主功放管140、主功放双频输出匹配网络160和双频后匹配网络180依次相连；双频功率分配器110、辅功放双频输入匹配网络130、辅功放管150、辅功放双频输出匹配网络170和双频后匹配网络180依次相连；双频功率分配器110通过第一预设长度的第一单频传输线1与主功放双频输入匹配网络120相连，主功放双频输出匹配网络160通过第二预设长度的第二单频传输线2与双频后匹配网络180相连，辅功放双频输出匹配网络170通过第三预设长度的第三单频传输线3与双频后匹配网络180相连。在本实用新型的一个实施例中，第一单频传输线1(如图5中的Phaseline)、第二单频传输线2(如图5中的Offset_Main)和第三单频传输线3(如图5中的Offset_Aux)的特性阻抗均为50欧姆。也就是说，图5中所示的Phaseline、Offset_Main、Offset_Aux均是特性阻抗为50Ohm的普通单频传输线，在本方面的实施例中，通过选择合适的长度，它们可以同时在两个设计频率上实现相应的相移。在本实用新型的一个实施例中，双频功率分配器110在第一设计频率f1和第二设计频率f2处将输入功率合理分配到主功放和辅功放，其中，第一设计频率f1小于第二设计频率f2，即f2>f1。主辅功放为工作在频率f1和f2处的双频功放，已经独立设计达到最佳性能，此时双频相移线的性能直接决定了双频Doherty功放的性能。当工作在第一设计频率f1时，得到第一单频传输线1对应的相移ThetaP1、第二单频传输线2对应的相移ThetaM1和第三单频传输线3对应的相移ThetaA1，其中，ThetaM1在具有第一预设取值范围。具体地说，在频率f1处实现的Doherty功放的结构如图6所示，其中ThetaP1、ThetaM1和ThetaA1分别为Phaseline(即第一单频传输线1)、Offset_Main(即第二单频传输线2)和Offset_Aux(即第三单频传输线3)对应的相移。实际上，ThetaP1、ThetaM1和ThetaA1不必是一组确定的值，它们在一定范围内变化时，Doherty功放仍能保持良好的性能。在本实用新型的一个实施例中，设定ThetaM1在ThetaM11-ThetaM12范围(第一预设取值范围)内变化时，回退效率变化较小，都能保持较高的值。当工作在第二设计频率f2时，得到第一单频传输线1对应的相移ThetaP2、第二单频传输线2对应的相移ThetaM2和第三单频传输线3对应的相移ThetaA2，其中，ThetaM2在具有第二预设取值范围。具体地说，在频率f2处实现的Doherty功放的结构如图7所示，其中ThetaP2、ThetaM2和ThetaA2分别为Phaseline(即第一单频传输线1)、Offset_Main(即第二单频传输线2)和Offset_Aux(即第三单频传输线3)对应的相移。同理，可以设定ThetaM2在ThetaM21–ThetaM22范围(即第二预设取值范围)内变化时，回退效率变化较小，都能保持较高的值。在本实用新型的一个具体实施例中，以双频Doherty功放中Offset_Main的实现来说明用单频传输线实现双频相移的思路。设定f2/f1＝k，则对于特定长度(第二预设长度)的单频线Offset_Main(第二单频传输线)来说，在f2和f1处相应的相移之比也为k，即ThetaM2＝k*ThetaM1，k为工作频率比，对应图8中的一条斜率为k的直线a。ThetaM1的可行区间为ThetaM11-ThetaM12(即第一预设取值范围)，ThetaM2的可行区间为ThetaM21–ThetaM22(即第一预设取值范围)，再考虑到传输线的周期性，图8中的黑色阴影区即为合理的双频相移区。直线a位于黑色阴影区的部分即为Offset_Main可行的设计区间，如果直线a无法与阴影区相交，可以适当放宽ThetaM1和ThetaM2的可行区间，此时Doherty功放的双频性能可能会有所下降，需要适当平衡f1与f2处的性能。在图8中，可以取ThetaM11作为Offset_Main在f1处的电长度，这样会有最小的物理长度，也可以取相交区域的中间点，这样会有更强的鲁棒性。双频Doherty功放中Offset_Aux(即第三单频传输线)和Phaseline(即第一单频传输线)的设计方法与上述Offset_Main的设计过程相似，此处不再赘述。按照上述描述的方法设计出来的双频线是特性阻抗为50Ohm的普通传输线，线宽合理，损耗很小，尺寸比传统的双频线小得多，适用于毫米波频段。另外，由于普通传输线的性能对工艺误差不敏感，提高了设计的可靠性。为了便于更好地理解本实用新型上述实施例的基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器用单频线实现双频相移的原理，以下结合附图，通过具体的实施例做进一步详细描述。在本实用新型的一个具体实施例中，例如，第一设计频率f1为28GHz，第二设计频率f2为39GHz，即以一个可以工作在28GHz和39GHz的双频Doherty功率放大器为例进行描述。具体地，在本实施例中，例如，双频Doherty功率放大器基于WIN半导体的0.15umpHEMT工艺，主功放管140和辅功放管150相同，即主辅路采用相同的双频功放，其中，主功放偏置为AB类，末级漏极电压为4V；辅功放偏置为C类，末级电压设置为4.5V。进一步地，为了实现合理的增益，双频功放采用两级结构，即主功放管140和辅功放管150均采用两级结构，驱动级和功率级的晶体管尺寸分别为2X75um和4X75um。考虑到工作频率比只有1.4，因此，双频功率分配器110采用宽带非等分威尔金森功分器。在本实施例中，双频Doherty功率放大器的整体结构如图9所示。具体地，在28GHz频率设计时，对Offset_Main的电长度进行扫描，得到最佳电长度为65度，在40-90度范围内均保持较高的回退效率。对Offset_Aux进行扫描，得到最佳电长度为150，在145-165度范围内均有较好的开路效果。对Phaseline进行扫描，得到最佳电长度为50，在30-70度范围内，主辅路仍然有较好的功率合成效果。具体设计结果如表1所示。Offset_MainOffset_AuxPhaseline可行区间40-90度145-165度30-70度最佳值65度150度50度表1在39GHz频率，按照同样的方法，得到如下表2所示的设计结果。Offset_MainOffset_AuxPhaseline可行区间110-140度20-35度80-100度最佳值125度25度95度表2根据单频线实现双频相移的原理，同时权衡28GHz和39GHz两个工作频率处的性能，得到如下表3所示双频线的设计结果。Offset_MainOffset_AuxPhaseline28GHz85度147度65度39GHz119度26度91度表3进一步地，在本实施例所采用的工艺中，50Ohm微带线的宽度为70um，三段相移线的物理长度及在两个工作频率处的损耗如下表4所示。可见，本实施例中的三段相移线损耗很低，充分体现了用单频线实现双频相移的优势。另外，微带线便于弯折，可以进一步降低芯片面积。Offset_MainOffset_AuxPhaseline物理长度877um1516um670um损耗@28GHz0.07dB0.1dB0.05dB损耗@39GHz0.09dB0.16dB0.07dB表4在本实施例中，双频功放的输入、级间、输出匹配网络均为双频匹配网络，同时实现28GHz和39GHz处的阻抗匹配，分别如图10、11、12所示。由于毫米波频段的电感Q值较低，实际实现时都用微带线代替。在本实施例中，双频后匹配网络180(即PMN)例如采用两级微带线结构，在两个工作频段内可将50Ohm负载匹配到25Ohm，例如图13所示。经过实验仿真后得出，本实用新型上述实施例中描述的双频Doherty功率放大器，在28GHz和39GHz处均有很好的回退和饱和性能。综上，根据本实用新型实施例的基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器，采用普通单频传输线实现双频相移功能，克服了传统双频传输线在毫米波频段存在的尺寸大、损耗高、带宽窄的问题，可以大大提高双频相移线的性能，助于实现高性能的毫米波双频Doherty功率放大器。另外，由于普通传输线的性能对工艺误差不敏感，因此提高了设计的可靠性。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同限定。当前第1页1 2 3