一种应用于5G通信的紧凑型Doherty功率放大器的制作方法

一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器
技术领域
1.本发明涉及毫米波功率放大器及集成电路技术领域，具体涉及一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器。


背景技术：

2.为了提高通信速率，5g毫米波系统采用了诸如高阶正交振幅调制(qams)、正交频分复用(ofdm)以及载波聚合(ca)等高频谱效率的调制方式来实现给定频谱资源的高数据速率，这些高阶调制方式对应的高峰均功率比(papr)也为功率放大器设计带来较大挑战。对于工作在5g毫米波频段的功率放大器而言，应在功率回退(pbo)时仍保持较高效率，以延长电池寿命。同时，这些5g毫米波功率放大器需要在较宽的功率范围内具有高线性，以避免信号失真，确保服务质量。
3.传统功率回退效率增强方案主要包括包络跟踪(et)技术、outphasing技术以及doherty技术等。其中，包络跟踪技术通过包络检测器与电源调制器对漏极电源电压进行动态调制，从而实现高功率回退效率。然而，包络跟踪技术存在电源调制器效率与动态范围的限制，并且不适用于阵列操作。outphasing架构通过linc技术与负载调制技术实现高线性输出的同时提高功率回退效率，但通常需要较多的数字信号处理单元(dsp)和数字预失真单元(dpd)以产生带有相位调制信息的异相信号，将导致系统复杂度和面积的增加。doherty技术通过负载调制技术实现功率回退效率的提升，具有支持宽带调制和对dpd单元数量需求较小等优点，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。
4.然而，传统doherty架构需要加入λ/4传输线，以实现正确的有源负载调制过程以及相位平衡，在毫米波段将占据较大的芯片面积；此外，传统架构中常采用威尔金森功分器实现输入信号功率分配功能，这无疑进一步增加了面积成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器，该doherty功率放大器结构紧凑，体积小，便于安装和规模生产。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器，包括依次相连的输入端正交功分器、功放网络和输出负载调制网络，所述功放网络包括主路功放网络和辅路功放网络；所述输入端正交功分器的输入端与信号输入端相连接，并通过第一输出端、第二输出端分别输出第一正交信号、第二正交信号，以实现射频输入信号的单、双端信号转换；所述主路功放网络的输入端与所述输入端正交功分器的第一输出端相连接，以实现对所述第一正交信号的放大；所述辅路功放网络的输入端与所述输入端正交功分器的第二输出端相连接，以实现对所述第二正交信号的放大；所述输出负载调制网络的第一输入端与所述主路功放网络的输出端相连接，第二输入端与所述辅路功放网络的输出端相连接，以实现对功放网络的有源负载调制，最终通过输出负载调制网络的输出端输出至信号输出端。
7.进一步地，所述输入端正交功分器包括片上变压器、第一补偿电容和第二补偿电容；所述片上变压器包括第一初级线圈和第一次级线圈；所述第一初级线圈的第一端作为所述输入端正交功分器的输入端，与信号输入端相连接；所述第一初级线圈的第二端接地；所述第一次级线圈的第一端和第二端作为所述输入端正交功分器的第一输出端和第二输出端，分别与所述主路功放网络、辅路功放网络相连接，用于提供相位相差90
°
的射频输入信号；所述第一补偿电容的正极与所述第一次级线圈的第一端相连接，所述第一补偿电容的负极接地；所述第二补偿电容的正极与所述第一次级线圈的第二端相连接，所述第二补偿电容的负极接地；所述第一补偿电容、第二补偿电容令所述输入端正交功分器的相位响应产生额外极点，以实现相位平衡；同时通过改变所述第一补偿电容、第二补偿电容的值来优化所述输入端正交功分器的第一输出端、第二输出端的等幅交叉点，以实现正交功分器的幅度平衡。
8.进一步地，所述主路功放网络包括第一驱动级电路和第一功率级电路，以在全功率范围内进行功率放大；所述第一驱动级电路采用共源结构，其输入端作为主路功放网络的输入端，与所述输入端正交功分器的第一输出端相连接；所述第一功率级电路采用堆叠式放大结构，包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第一补偿电感、第二补偿电感，所述第一晶体管的漏极通过第一补偿电感与第二晶体管的源极相连接，所述第二晶体管的漏极通过第二补偿电感与第三晶体管的源极相连接，形成堆叠结构，以增加功率放大器的增益；所述第一功率级电路的输入端与所述第一驱动级电路的输出端相连接，所述第一功率级电路的输出端作为主路功放网络的输出端。
9.进一步地，所述辅路功放网络包括第二驱动级电路和第二功率级电路，通过改变放大器工作状态，仅在高功率状态下进行功率放大；所述辅路功放网络与所述主路功放网络结构相同，同样为共源结构和堆叠式放大结构；所述第二驱动级电路的输入端作为辅路功放网络的输入端，所述第二功率级电路的输出端作为辅路功放网络的输出端。
10.进一步地，所述输出负载调制网络包括阻抗逆变网络和输出匹配网络；所述阻抗逆变网络包括第一电感、第二电感和第一电容；所述第一电感的第一端接电源，第二端和第一电容的第一端作为阻抗逆变网络的第一输入端，与所述主路功放网络的输出端相连接；所述第一电容的第二端作为阻抗逆变网络的第一输出端，与输出匹配网络相连接；所述第二电感的第一端接电源，第二端作为阻抗逆变网络的第二输入端，与所述辅路功放网络的输出端相连接，第二端同时作为阻抗逆变网络的第二输出端，与输出匹配网络相连接；所述输出匹配网络包括第三电感和第二电容，用于将信号输出端阻抗转变为所需的最佳负载阻抗。
11.进一步地，所述片上变压器为宽带器件。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器，解决了现有doherty功率放大器在5g毫米波段实现中，会导致其最大输出功率降低和芯片面积较大的问题。该doherty功率放大器结构紧凑，体积小，便于安装与规模生产，能够满足第五代移动通信的需求，在功率回退的大范围过程中能保持较高的通信效率，有较好的线性度。
附图说明
13.图1是本发明实施例的紧凑型doherty功率放大器的电路结构示意图；图2是本发明实施例中功率级电路的电路结构示意图；图3是本发明实施例中输出负载调制网络简化过程图。
具体实施方式
14.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
15.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
16.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
17.本实施例提供了一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器，其电路图参照图1。该功率放大器由主路功放网络和辅路功放网络构成，通过输出有源负载调制网络实现功率回退效率提升功能。为了提高功率放大器的输出功率，主路和辅路功放网络的功率级均采用三层堆叠放大结构。主路功放网络采用ab类偏置，可兼顾高线性与动态范围，辅路功放网络则采用c类偏置，在低输入功率下关断以实现负载调制功能。该doherty功率放大器的输出端负载调制网络采用简化后的高通π网络实现阻抗逆变功能。为了进一步减小面积，在功率放大器的输入端，设计了一种基于变压器实现的紧凑型正交功分器网络，用于集成功率分配与相位补偿功能。相较于传统doherty架构，该实施例可进一步降低芯片面积并提高电路性能。
18.doherty架构的负载调制过程为：在低功率状态下，辅路功放网络关断，输出零工作电流，因此主路功放网络经过输出端负载调制网络作用后所看到的阻抗为2ropt；在中功率状态下，辅路功放网络随着输入功率增大而开始工作，其输出电流逐渐增大，经过有源负载调制后，主、辅路功放网络所看到的阻抗将逐渐降低；在高功率状态下，输入功率足够大使得主、辅路功放网络都达到饱和状态，从而使得两路功放输出电流相等，进而导致两路功放所看到的阻抗均降低至ropt，整体功放的功率和效率达到最高。
19.具体地，如图1所示，本实施例提供的紧凑型doherty功率放大器包括依次相连的输入端正交功分器、功放网络和输出负载调制网络，所述功放网络包括主路功放网络和辅路功放网络；所述输入端正交功分器的输入端与信号输入端相连接，并通过第一输出端、第二输出端分别输出第一正交信号、第二正交信号，以实现射频输入信号的单、双端信号转换；所述主路功放网络的输入端与所述输入端正交功分器的第一输出端相连接，以实现对所述第一正交信号的放大；所述辅路功放网络的输入端与所述输入端正交功分器的第二输出端相连接，以实现对所述第二正交信号的放大；所述输出负载调制网络的第一输入端与所述主路功放网络的输出端相连接，第二输入端与所述辅路功放网络的输出端相连接，以实现对功放网络的有源负载调制，最终通过输出负载调制网络的输出端输出至信号输出端口。
20.所述输入端正交功放器基于片上变压器和补偿电容实现，以达到紧凑化目的。补偿电容与变压器的次级线圈第一、第二输出端相连接，以补偿整体功分器的幅度和相位响应，以实现较好的功率分配和正交相位功能。片上变压器采用堆叠式结构实现，其初、次级线圈感值相近且具有较高的耦合系数，可更进一步减少芯片面积。具体地，输入端正交功分器包括片上变压器101、第一补偿电容102和第二补偿电容103。所述片上变压器101包括第一初级线圈和第一次级线圈；所述第一初级线圈的第一端作为所述输入端正交功分器的输入端，与信号输入端相连接；所述第一初级线圈的第二端接地；所述第一次级线圈的第一端和第二端作为所述输入端正交功分器的第一输出端和第二输出端，分别与所述主路功放网络、辅路功放网络相连接，用于提供相位相差90
°
的射频输入信号。所述第一补偿电容102的正极与所述第一次级线圈的第一端相连接，所述第一补偿电容102的负极接地；所述第二补偿电容103的正极与所述第一次级线圈的第二端相连接，所述第二补偿电容103的负极接地；所述第一补偿电容、第二补偿电容将令所述输入端正交功分器的相位响应产生额外极点，以实现相位平衡；同时可通过改变所述第一补偿电容、第二补偿电容的值来优化所述输入端正交功分器的第一输出端、第二输出端的等幅交叉点，以实现正交功分器的幅度平衡。在本实施例中，所述片上变压器为宽带器件。
21.所述主路功放网络与辅路功放网络工作状态不同，主路功放网络工作于ab类偏置状态，以在全功率范围下工作；辅路功放网络工作于c类偏置状态，在输入功率较低时关断。所述主路功放网络和辅路功放网络结构相同，包括输入匹配单元、共源级结构驱动级电路、级间匹配单元以及堆叠式放大结构功率级。其中，输入匹配单元采用l型集总网络设计，而级间匹配网络为π型匹配架构。所述堆叠式放大结构由三层晶体管以及层间补偿电感构成，目的是补偿毫米波段晶体管自身较大的寄生电容影响。所述主路功放网络的作用是对输入信号在全功率范围内进行放大，在未达到设计的开启功率前，所述辅路功放网络处于截止状态。当输入功率逐渐增大至一定值，所述辅路功放网络开启，辅路输出电流逐渐增大，从而影响所述主路功放网络所看到的阻抗。所述主路功放网络与所述辅路功放网络所看到的阻抗将随着输入功率增大而逐渐降低，最终达到最佳负载阻抗值，此时所述主路功放网络和所述辅路功放网络均进入饱和状态，整体功放的效率、功率均达到最大。
22.具体地，所述主路功放网络包括第一驱动级电路和第一功率级电路，以在全功率范围内进行功率放大；所述第一驱动级电路采用共源结构，其输入端作为主路功放网络的输入端，与所述输入端正交功分器的第一输出端相连接；所述第一功率级电路采用堆叠式放大结构，包括第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3以及第一补偿电感122、第二补偿电感123，所述第一晶体管的漏极通过第一补偿电感与第二晶体管的源极相连接，所述第二晶体管的漏极通过第二补偿电感与第三晶体管的源极相连接，形成堆叠结构，以增加功率放大器的增益；所述第一功率级电路的输入端与所述第一驱动级电路的输出端相连接，所述第一功率级电路的输出端作为主路功放网络的输出端。所述辅路功放网络包括第二驱动级电路和第二功率级电路，通过改变放大器工作状态，仅在高功率状态下进行功率放大；所述辅路功放网络与所述主路功放网络结构相同，同样为共源结构和堆叠式放大结构；所述第二驱动级电路的输入端作为辅路功放网络的输入端，所述第二功率级电路的输出端作为辅路功放网络的输出端。
23.所述输出负载调制网络包括阻抗逆变网络和输出匹配网络。具体地，所述阻抗逆
变网络包括第一电感116、第二电感117和第一电容118；所述第一电感的第一端接电源，第二端和第一电容的第一端作为阻抗逆变网络的第一输入端，与所述主路功放网络的输出端相连接；所述第一电容的第二端作为阻抗逆变网络的第一输出端，与输出匹配网络相连接；所述第二电感的第一端接电源，第二端作为阻抗逆变网络的第二输入端，与所述辅路功放网络的输出端相连接，第二端同时作为阻抗逆变网络的第二输出端，与输出匹配网络相连接；所述输出匹配网络包括第三电感120和第二电容119，用于将信号输出端的50欧姆阻抗转变为所需的最佳负载阻抗。
24.在本实施例中，基于变压器实现了紧凑型正交功分器，并与信号输入端rfin相连接，用于实现射频输入信号的单、双端信号转换，并通过第一、第二输出端输出第一正交信号rf1和第二正交信号rf2。
25.在本实施例中，紧凑型正交功分器包含片上变压器101和补偿电容102、103，补偿电容102、103分别连接至片上变压器的次级线圈的两端，所述补偿电容102、103将令所述紧凑型正交功分器的相位响应产生额外极点，以实现相位平衡；同时可通过改变所述补偿电容102、103的值以优化所述输入端正交功分器的第一、第二输出端口的等幅交叉点，以实现正交功分器的幅度平衡。
26.在本实施例中，主路功放和辅路功放结构相同，均采用共源结构驱动级，以提高增益和线性度，而功率级则是采用三个晶体管构成的堆叠式放大结构，以提高输出功率。如图3所示，主路功放网络的功率级由m1、m2、m3晶体管和补偿电感122、123构成，并添加了负载电感124、源级退化电感121以提高性能。在主路功放和辅路功放的功率级中，第一晶体管m1的栅宽为和第二m2、第三晶体管m3的栅宽为四分之三；第二晶体管m2和第三晶体管m3的栅极电容值逐层降低，其目的在于调节三层晶体管的层间电压，使得供电电压均匀分配，保证晶体管的正常工作。
27.在本实施例中，主路功放网络工作于ab类偏置状态，以在全功率范围下工作；辅路功放网络工作于c类偏置状态，在输入功率较低时关断。辅路功放网络的具体偏置电压需要依据主路功法网络进行确定，需要根据主路功放的饱和点确定辅路功放的开启功率点。此外，doherty架构中c类辅路功放网络的三阶跨导系数gm3为正值，而ab类主路功放网络的三阶跨导系数gm3为负值，因此，可通过微调辅路功放网络的栅极偏置，在合路点实现两路输出信号的非线性抵消。
28.在本实施例中，负载调制网络包括电感116、117、120和电容118、119。电感120的正端和电容119的负端连接至信号输出端口rfout，输出端端口阻抗为50欧姆。负载调制网络根据功能可划分为阻抗逆变网络和输出匹配网络。阻抗逆变网络由电感116、117和电容118构成，输出匹配网络包括电感120和电容119。为了实现紧凑化布局，阻抗逆变网络采用集总网络对λ/4传输线进行等效得到，其结构为lcl π型架构，具有高通频域响应。对于任意传输线特征阻抗z0和相移θ，高通π型网络内无源器件值可由下式确定：线特征阻抗z0和相移θ，高通π型网络内无源器件值可由下式确定：
为了优化芯片面积，本实施例对阻抗逆变网络进行了简化，过程如图3所示。高通π型网络中两个接地电感可与两路功放的漏极负载电感相合并，使得最终简化完成的阻抗逆变网络仅由两个小电感与一个电容构成，有效降低了无源器件数量与芯片面积。输出负载调制网络的输出匹配网络采用l型集总网络实现最佳负载阻抗到50欧姆阻抗的阻抗匹配过程。
29.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器，其特征在于，包括依次相连的输入端正交功分器、功放网络和输出负载调制网络，所述功放网络包括主路功放网络和辅路功放网络；所述输入端正交功分器的输入端与信号输入端相连接，并通过第一输出端、第二输出端分别输出第一正交信号、第二正交信号，以实现射频输入信号的单、双端信号转换；所述主路功放网络的输入端与所述输入端正交功分器的第一输出端相连接，以实现对所述第一正交信号的放大；所述辅路功放网络的输入端与所述输入端正交功分器的第二输出端相连接，以实现对所述第二正交信号的放大；所述输出负载调制网络的第一输入端与所述主路功放网络的输出端相连接，第二输入端与所述辅路功放网络的输出端相连接，以实现对功放网络的有源负载调制，最终通过输出负载调制网络的输出端输出至信号输出端。2.根据权利要求1所述的一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器，其特征在于，所述输入端正交功分器包括片上变压器、第一补偿电容和第二补偿电容；所述片上变压器包括第一初级线圈和第一次级线圈；所述第一初级线圈的第一端作为所述输入端正交功分器的输入端，与信号输入端相连接；所述第一初级线圈的第二端接地；所述第一次级线圈的第一端和第二端作为所述输入端正交功分器的第一输出端和第二输出端，分别与所述主路功放网络、辅路功放网络相连接，用于提供相位相差90
°
的射频输入信号；所述第一补偿电容的正极与所述第一次级线圈的第一端相连接，所述第一补偿电容的负极接地；所述第二补偿电容的正极与所述第一次级线圈的第二端相连接，所述第二补偿电容的负极接地；所述第一补偿电容、第二补偿电容令所述输入端正交功分器的相位响应产生额外极点，以实现相位平衡；同时通过改变所述第一补偿电容、第二补偿电容的值来优化所述输入端正交功分器的第一输出端、第二输出端的等幅交叉点，以实现正交功分器的幅度平衡。3.根据权利要求1所述的一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器，其特征在于，所述主路功放网络包括第一驱动级电路和第一功率级电路，以在全功率范围内进行功率放大；所述第一驱动级电路采用共源结构，其输入端作为主路功放网络的输入端，与所述输入端正交功分器的第一输出端相连接；所述第一功率级电路采用堆叠式放大结构，包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第一补偿电感、第二补偿电感，所述第一晶体管的漏极通过第一补偿电感与第二晶体管的源极相连接，所述第二晶体管的漏极通过第二补偿电感与第三晶体管的源极相连接，形成堆叠结构，以增加功率放大器的增益；所述第一功率级电路的输入端与所述第一驱动级电路的输出端相连接，所述第一功率级电路的输出端作为主路功放网络的输出端。4.根据权利要求3所述的一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器，其特征在于，所述辅路功放网络包括第二驱动级电路和第二功率级电路，通过改变放大器工作状态，仅在高功率状态下进行功率放大；所述辅路功放网络与所述主路功放网络结构相同，同样为共源结构和堆叠式放大结构；所述第二驱动级电路的输入端作为辅路功放网络的输入端，所述第二功率级电路的输出端作为辅路功放网络的输出端。5.根据权利要求1所述的一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器，其特征在于，所述输出负载调制网络包括阻抗逆变网络和输出匹配网络；所述阻抗逆变网络包括第一电感、第二电感和第一电容；所述第一电感的第一端接电源，第二端和第一电容的第一端作为阻抗逆变网络的第一输入端，与所述主路功放网络的输出端相连接；所述第一电容的第二端作为阻抗逆变网络的第一输出端，与输出匹配网络相连接；所述第二电感的第一端
接电源，第二端作为阻抗逆变网络的第二输入端，与所述辅路功放网络的输出端相连接，第二端同时作为阻抗逆变网络的第二输出端，与输出匹配网络相连接；所述输出匹配网络包括第三电感和第二电容，用于将信号输出端阻抗转变为所需的最佳负载阻抗。6.根据权利要求1所述的一种应用于5g通信的紧凑型doherty功率放大器，其特征在于，所述片上变压器为宽带器件。

技术总结
本发明涉及一种应用于5G通信的紧凑型Doherty功率放大器，包括依次相连的输入端正交功分器、功放网络和输出负载调制网络，功放网络包括主路功放网络和辅路功放网络；输入端正交功分器的输入端与信号输入端相连接，并通过第一、第二输出端分别输出第一、第二正交信号，以实现射频输入信号的单、双端信号转换；主路功放网络、辅路功放网络的输入端分别与输入端正交功分器的第一、第二输出端相连接，以实现对第一、第二正交信号的放大；输出负载调制网络的第一、第二输入端分别与主路功放网络、辅路功放网络的输出端相连接，以实现对功放网络的有源负载调制，最终通过输出端输出至信号输出端。该Doherty功率放大器结构紧凑，体积小，便于安装和规模生产。便于安装和规模生产。便于安装和规模生产。


技术研发人员：黄继伟 李梁锋 钟林
受保护的技术使用者：晋江三伍微电子有限公司
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/9/20