一种宽带Doherty功率放大器及设计方法与流程

本发明属于功率放大器技术领域，具体涉及一种基于新型低通匹配合路端结构的宽带doherty功率放大器及设计方法。

背景技术

半个多世纪以来，射频微波技术得到了迅猛的发展，在手机、卫星通信、wlan等通信领域被广泛应用。射频功放模块是无线通信系统中的重要组成部分，为了满足信号的远距离传输并且保障信号可靠接收，在无线收发系统中必须使用功放模块来进行信号的放大。因此，功率放大器模块的性能直接决定了整个收发机系统的工作情况。毫无疑问，功放模块是射频前端的核心部分。

随着移动设备的快速增长，预计第五代移动通信系统(5g)将在2020年及以后实现标准化和商业化。根据5g的新标准，用户对于数据速率的需求不断增长，使得整个通信系统对于信号带宽和峰均功率比的要求也越来越高。在这种情况下，功率放大器作为发射机的关键元件，需要在宽频带的输出回退区域提高效率。doherty功率放大器因能高效放大器调制信号且成本较低而成为当今无线通信所采用功率放大器的主流形式。但是，传统doherty功率放大器存在一定技术问题，在特定频率处的实现最佳阻抗变换的四分之一波长阻抗变换器限制了传统doherty功率放大器的带宽。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于新型低通匹配合路端结构的宽带doherty功率放大器及设计方法

本发明一种宽带doherty功率放大器，包括功分器、载波放大器、峰值放大器、第一补偿线、第二补偿线、第三补偿线和低通滤波匹配模块。所述载波放大器的输入端接功分器的第一输出端，负载端接第一补偿线的一端。第一补偿线的另一端接第二补偿线的一端。第三补偿线的一端接功分器的第二输出端，另一端接峰值放大器的输入端。峰值放大器的负载端与第二补偿线的另一端相连。

所述的低通滤波匹配模块包括电长度均为λ/8的第1微带线、第2微带线、……、第n微带线，n为三的倍数。所述第1微带线的一端接峰值放大器与第二补偿线的合路点，另一端接第2微带线及第3微带线的一端。第2微带线及第3微带线的另一端均悬空。

所述第3i+1微带线的靠近峰值放大器的那端接第3i-2微带线远离峰值放大器的那端，远离峰值放大器的那端接第3i+2微带线及第3i+3微带线的一端。第3i+2微带线及第3i+3微带线的另一端均悬空，i＝1,2,…,n/3-1。

在i＝1,2,…,n/3的情况下，第3i-2微带线的特征阻抗值满足式(1)；第3i-1微带线、第3i微带线的特征阻抗值均满足式(2)。

z3i-1＝z3i＝ω0·li式(2)

其中，ω0＝2πf；f为需要放大的信号的中心频率；ci的取值与li的取值在0.5db等波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表(科学出版社2010年出版的《射频通信电路设计》第152页)查取。查取方法为：在波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表中找到目标行。目标行为阶对应的那行(第行)。目标行的第2i-1个参数为ci的取值，第2i个参数为li的取值。

进一步地，所述的载波放大器包括第一晶体管、载波输入匹配网络和载波输出匹配网络。所述第一晶体管的输入端与载波输入匹配网络的输出端相连，输出端与载波输出匹配网络的输入端相连。所述载波输入匹配网络的输入端作为载波放大器的输入端。所述载波输出匹配网络的负载端作为载波放大器的负载端。

进一步地，所述的峰值放大器包括第二晶体管、峰值输入匹配网络和峰值输出匹配网络。所述第二晶体管的输入端与峰值输入匹配网络的输出端相连，输出端与峰值输出匹配网络的输入端相连。所述峰值输入匹配网络的输入端作为峰值放大器的输入端。所述峰值输出匹配网络的负载端作为峰值放大器的负载端。

进一步地，所述第一补偿线、第二补偿线及第三补偿线的电长度均为λ/4。

该宽带doherty功率放大器的设计方法具体如下：

步骤一：在ads软件中调整载波放大器栅极的输入电压，使载波功率放大器工作在ab类工作模式。并设计载波输出匹配网络。

步骤二、在ads软件中调整峰值功率放大器栅极的输入电压，使峰值功率放大器工作在c类工作模式，并设计峰值输出匹配网络。

步骤三：在ads软件中设计低通滤波匹配模块。

步骤四：在ads软件中将调试好的载波放大器、峰值放大器、功分器及低通滤波匹配模块组合起来构成doherty功率放大器。得到原理图。进入步骤五。

步骤五：在ads软件中将步骤四所得原理图导出形成版图。再进行版图、原理图联合仿真。若版图、原理图联合仿真所得doherty功率放大器的效率值在设计带宽内均大于60％，则直接进入步骤六。若版图、原理图联合仿真所得的doherty功率放大器的效率值在设计带宽内出现小于或等于60％的情况，则调整doherty功率放大器第一补偿线的电长度，并重复步骤四。

步骤六：根据步骤五所得的版图加工出doherty功率放大器。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明的技术方案通过改进现有设计的doherty功率放大器的后匹配网络，通过使用低通滤波匹配方法，使得功率放大器在保持高效率的同时，带宽增大，同时保证了带宽内回退效率达到设计要求。

2、本发明在达到0.8ghz(1.8ghz-2.6ghz)的带宽内效率均达到60％以上，明显优于现有doherty功率放大器的仅在0.2ghz(2.1ghz-2.3ghz)的带宽内效率达到60％以上。

3、本发明在带宽内的效率都超过了60％，高于基站所用的功率放大器效率(现有技术中基站功率放大器在带宽内的效率一般在50％左右)。为今后的基站功放建设提供了一种新的方法。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为在ads软件中对回退6db状态下的本发明、饱和输出状态下的本发明、现有基站功率放大器、现有doherty功率放大器分别进行效率模拟仿真所得的效率折线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种宽带doherty功率放大器，包括功分器1、载波放大器2、峰值放大器3、第一补偿线4、第二补偿线5、第三补偿线6和低通滤波匹配模块7。第二补偿线5及第三补偿线6的电长度均为λ/4。载波放大器2包括第一晶体管、载波输入匹配网络和载波输出匹配网络。第一晶体管的输入端(栅极)与载波输入匹配网络的输出端相连，输出端(漏极)与载波输出匹配网络的输入端相连。载波输入匹配网络的输入端作为载波放大器2的输入端。载波输出匹配网络的负载端作为载波放大器2的负载端。峰值放大器3包括第二晶体管、峰值输入匹配网络和峰值输出匹配网络。第二晶体管的输入端(栅极)与峰值输入匹配网络的输出端相连，输出端(漏极)与峰值输出匹配网络的输入端相连。峰值输入匹配网络的输入端作为峰值放大器3的输入端。峰值输出匹配网络的负载端作为峰值放大器3的负载端。

载波放大器2的输入端接功分器1的第一输出端。载波放大器2的负载端接第一补偿线4的一端。第一补偿线4的另一端接第二补偿线5的一端。第三补偿线6的一端接功分器1的第二输出端，另一端接峰值放大器3的输入端。峰值放大器3的负载端与第二补偿线5的另一端相连(合路)。

低通滤波匹配模块7包括电长度均为λ/8的第1微带线t1、第2微带线t2、……、第n微带线tn，n＝9。第1微带线t1的一端接峰值放大器3与第二补偿线5的合路点，另一端接第2微带线t2及第3微带线t3的一端。第2微带线t2及第3微带线t3的另一端均悬空

第3i+1微带线t3i+1的靠近峰值放大器3的那端接第3i-2微带线t3i-2远离峰值放大器3的那端，远离峰值放大器3的那端接第3i+2微带线t3i+2及第3i+3微带线t3i+3的一端。第3i+2微带线t3i+2及第3i+3微带线t3i+3的另一端均悬空，i＝1,2,…,n/3-1。第n-2微带线tn-2远离峰值放大器3的那端作为本发明的输出端与负载8相连。

在i＝1,2,…,n/3的情况下，第3i-2微带线的特征阻抗值满足式(1)；第3i-1微带线、第3i微带线的特征阻抗值均满足式(2)：

z3i-1＝z3i＝ω0·li式(2)

其中，ω0＝2πf；f为需要使用该doherty功率放大器放大的信号的中心频率，取值为2.2ghz；ci的取值与li的取值在0.5db等波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表(科学出版社2010年出版的《射频通信电路设计》第152页)查取。查取方法为：在波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表中找到目标行。目标行为阶对应的那行(第行)。目标行的第2i-1个参数为ci的取值，第2i个参数为li的取值。

低通滤波匹配模块7能够将对峰值放大器3与第二补偿线5的合路点的信号进行滤波，使得功率放大器的输入反射系数(s11)减小，正向传输系数(s21)增大，进而使得doherty功率放大器的带宽增大，效率提高。

在输入信号为1.8～2.6ghz的连续波、输入功率为28dbm的条件下，用ads软件对回退6db状态下的本发明、饱和输出状态下的本发明、现有基站功率放大器、现有doherty功率放大器分别进行效率模拟仿真。仿真结果如图2所示，可以看出，现有基站功率放大器的效率只能达到50％左右。现有doherty功率放大器的设计带宽只有200mhz，效率仅在2.1-2.3ghz的频段内才能达到60％以上，无法满足现代基站对于功率放大器指标的需求。饱和输出状态下本发明的效率在1.8-2.6ghz的频段内均能达到60％以上，可见本发明能够的保证功率放大器高效率的同时大大提高视频带宽。此外，回退6db状态下的本发明效率在1.8-2.6ghz的频段内均能达到30％以上，依旧能够正常工作。可见，本发明的峰均功率比和带宽均明显优于现有doherty功率放大器。

该宽带doherty功率放大器的设计方法具体如下：

步骤一：在ads软件中调整载波放大器2栅极的输入电压，使载波功率放大器工作在ab类工作模式。并设计载波输出匹配网络。

步骤二、在ads软件中调整峰值功率放大器栅极的输入电压，使峰值功率放大器工作在c类工作模式，并设计峰值输出匹配网络。

步骤三：在ads软件中设计低通滤波匹配模块7并进行仿真验证。

步骤四：在ads软件中将调试好的载波放大器2、峰值放大器3、功分器1及低通滤波匹配模块7组合起来构成doherty功率放大器。得到原理图。进入步骤五。

步骤五：在ads软件中将步骤四所得原理图导出形成版图。再进行版图、原理图联合仿真。若版图、原理图联合仿真所得doherty功率放大器的效率值在设计带宽内均大于60％，则直接进入步骤六。若版图、原理图联合仿真所得的doherty功率放大器的效率值在设计带宽内出现小于或等于60％的情况，则调整doherty功率放大器第一补偿线4的电长度，并重复步骤四。

步骤六：根据步骤五所得的版图加工出doherty功率放大器。