一种非对称Doherty功率放大器

一种非对称doherty功率放大器
技术领域
1.本发明涉及射频集成电路领域，尤其涉及一种非对称doherty功率放大器。


背景技术：

2.功率放大器(power amplifier，pa)是无线通信链路中的关键单元之一，其作用是将携带有用信息的调制信号放大至一定的功率并通过天线辐射出去，发射机的输出能力、线性度和效率在很大程度上都是由功率放大器所决定。5g通信系统要求实现高回退范围的dpa。在当今5g通信系统中，复杂的信号调制技术被广泛采用。这些信号调制技术会导致被调制信号具有非常高的峰均比(peak to average power ratio，papr)。为了保证信号在5g通信系统中传输的稳定性和可靠性，提升输出功率回退范围和回退功率点的效率成为了衡量doherty功率放大器(doherty power amplifier，dpa)的重要指标。目前大多数dpa的设计都集中在简单易实现的对称结构上，虽然简单易用，但是，由于载波功放存在输出寄生电容，该电容反应在史密斯圆图上是随着频率的升高而顺时针变化，从而导致功放的输出阻抗变化，进而出现失配使得带宽下降。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种非对称doherty功率放大器，通过等效负电容的网络，连接于合成器的隔离端口，抵消载波功放的输出寄生电容，减少其对带宽的影响。
4.本发明所采用的技术方案是：一种非对称doherty功率放大器，包括前级分离单元、第一功率放大单元、第二功率放大单元、后级合成单元和非福斯特电路，其中：
5.所述前级分离单元的第一输出端与第一功率放大单元的输入端连接，所述前级分离单元的第二输出端与第二功率放大单元的输入端连接，所述第一功率放大单元的输出端与与后级合成单元的第一输入端连接，所述第二功率放大单元的输出端与后级合成单元的第二输入端连接，所述非福斯特电路接于后级合成单元的隔离端；
6.所述前级分离单元用于将输入信号分成两路并分别输入至第一功率放大单元、第二功率放大单元；
7.所述后级合成电路用于将两路信号合成。
8.进一步，所述非福斯特电路包括第一晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、模拟电源、第二晶体管、第一电容、第四电阻、第五电阻、第二晶体管、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第二电容，其中：
9.所述第一晶体管的发射极与后级合成单元的隔离端连接，所述第一晶体管的基极、第一电阻的第一端与第二电阻的第一端连接，所述第一晶体管的集电极、第三电阻的第一端与第一电容的第一端连接；
10.所述第二电阻的第二端、第三电阻的第二端、模拟电源的正端、第四电阻的第一端与第五电阻的第一端连接；
11.所述第一电容的第二端、第四电阻的第二端、第八电阻的第一端、第七电阻的第一端与第二晶体管的基极连接；
12.所述第二晶体管的集电极与第五电阻的第二端连接，所述第二晶体管的发射极与第六电阻的第一端连接；
13.所述第八电阻的第二端与第二电容的第一端连接；
14.所述第一电阻的第二端、模拟电源的负端、第六电阻的第二端、第七电阻的第二端与第二电容的第二端连接。
15.通过该优选步骤，以非福斯特电路等效负电容，连接于隔离端口以抵消功率放大管的输出寄生电容，另外，以第六电阻作为反馈，能够稳定电路。
16.进一步，所述第一功率放大单元包括第一匹配网络、第一稳定网络、第一偏置网络、第一功率放大管和第一短阶梯阻抗变换器，其中：
17.所述第一输入匹配网络的输入端与前级分离单元的第一输出端连接，所述第一输入匹配网络的输出端、第一偏置网络的第一端与第一稳定网络的第一端连接；
18.所述第一稳定网络的第二端与第一功率放大管的基极连接；
19.所述第一功率放大管的漏极、第一偏置网络的第二端、第一短阶梯阻抗变换器的第一端连接；
20.所述第一短阶梯阻抗变换器的第二端与后级合成单元的第一输入端连接。
21.进一步，所述第二功率放大单元包括第二短阶梯阻抗变换器、第二稳定网络、第二偏置网络、第二功率放大管和第二匹配网络，其中：
22.所述第二短阶梯阻抗变换器的第一端与前级分离单元的第二输出端连接，所述第二短阶梯阻抗变换器的第二端、第二稳定网络的第一端与第二偏置网络的第一端连接；
23.所述第二稳定网络的第二端与第二功率放大管的基极连接；
24.所述第二功率放大管的集电极、第二偏置网络的第二端与第二匹配网络的输入端连接；
25.所述第二匹配网络的输出端与后级合成单元第二输入端连接。
26.进一步，所述第一短阶梯阻抗变换器包括第一电感、第三电容和第一微带线组，所述第二短阶梯变换器包括第二电感、第四电容和第二微带线组，其中：
27.所述第一电感的第一端与第一功率放大管集电极连接，所述第一电感的第二端、第三电容的第一端与第一微带线组的第一端连接；
28.所述第一微带线组的第二端与后级合成单元的第一输入端连接；
29.所述第二微带线组的第一端与前级分离单元的第二输出端连接，所述第二微带线组的第二端与第二电感的第一端连接；
30.所述第二电感的第二端、第四电容的第一端与第二稳定网络的第一端连接；
31.所述第三电容的第二端接地，所述第四电容的第二端接地。
32.通过该优选步骤，以一个短阶梯阻抗变换器，替代原本的四分之一波长传输线，能够拓宽带宽的同时缩小版图尺寸。
33.进一步，还包括第五电容和第六电容，其中：
34.所述第五电容接于前级分离单元的输入端；
35.所述第六电容接于后级分离单元的输出端。
36.进一步，第一功率放大管与第二功率放大管的峰值功率不同。
37.通过该优选步骤，采用两个峰值功率不同的功率管，构成非对称网络，结合其余电路结构提高回退量。
38.本发明的有益效果是：本发明以非福斯特电路等效负电容连接于合成单元的隔离端口，能够抵消功率放大管的输出寄生电容，从而减少其对带宽的影响，另外采用了改进的宽带阶梯匹配结构，加上非对称结构，可实现更高的功率回退效率和带宽，使功放工作在远离饱和区，提高线性度，达到在有限带宽内实现快速、准确通信的目的。
附图说明
39.图1是本发明一种非对称doherty功率放大器的框架原理图；
40.图2是本发明具体实施例一种非对称doherty功率放大器的部分电路图；
41.图3是本发明具体实施例非福斯特电路的具体电路图；
42.图4是本发明具体实施例h参数等效模型示意图；
43.图5是本发明具体实施例s21对比示意图；
44.图6是本发明非对称结构dpa与传统对称结构dpa的效率曲线和回退量对比曲线示意图。
具体实施方式
45.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
46.实施例1
47.参照图1和图2，本发明提供了一种非对称doherty功率放大器，包括前级分离单元、第一功率放大单元、第二功率放大单元、后级合成单元和非福斯特电路，其中：
48.所述前级分离单元的第一输出端与第一功率放大单元的输入端连接，所述前级分离单元的第二输出端与第二功率放大单元的输入端连接，所述第一功率放大单元的输出端与与后级合成单元的第一输入端连接，所述第二功率放大单元的输出端与后级合成单元的第二输入端连接，所述非福斯特电路接于后级合成单元的隔离端。
49.上述方案中，所述前级分离单元用于将输入信号分成两路并分别输入至第一功率放大单元、第二功率放大单元，两路信号的相位差为90
°
；所述后级合成电路用于将两路信号进行相位回正并合成；所述非福斯特电路等效于负电容，用于抵消功率放大管的输出寄生电容；所述非福斯特电路一端接入后级合成单元的隔离端，另一端接地。
50.进一步作为优选实施例，参照图3，所述非福斯特电路包括第一晶体管t1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、模拟电源vdd、第二晶体管t2、第一电容c1、第四电阻r4、第五电阻r5、第二晶体管t2、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8和第二电容c2，其中：
51.所述第一晶体管t1的发射极与后级合成单元的隔离端连接，所述第一晶体管t1的基极、第一电阻r1的第一端与第二电阻r2的第一端连接，所述第一晶体管t1的集电极、第三电阻r3的第一端与第一电容c1的第一端连接；所述第二电阻r2的第二端、第三电阻r3的第二端、模拟电源vdd的正端、第四电阻r4的第一端与第五电阻r5的第一端连接；所述第一电
容c1的第二端、第四电阻r4的第二端、第八电阻r8的第一端、第七电阻r7的第一端与第二晶体管t2的基极连接；所述第二晶体管t2的集电极与第五电阻r5的第二端连接，所述第二晶体管t2的发射极与第六电阻r6的第一端连接；所述第八电阻r8的第二端与第二电容c2的第一端连接；所述第一电阻r1的第二端、模拟电源vdd的负端、第六电阻r6的第二端、第七电阻r7的第二端与第二电容c2的第二端连接。
52.上述方案中，非福斯特电路等效成一个负电容，负电容基于负阻抗变换器得到，它的h参数等效模型如图4所示，由两端口h参数公式定义得：
[0053]v1
＝h
11
i1+h
12v2
[0054]
i2＝h
21
i1+h
22v2
[0055]
从端口看入的输入阻抗可以表示为：
[0056][0057]
第三电阻r3、第二电阻r2和第一电阻r1通过分压给第一晶体管t1提供偏置电压，同理可得第四电阻r4、第五电阻r5和第七电阻r7的作用；第六电阻r6起到负反馈的作用，可稳定电路，同时与第一电阻r1形成转换比例k，即输入阻抗近似为zin＝k
·
z1，上式中，r1表示第一电阻的阻值，r6表示第六电阻的阻值，zl表示r8和c2的等效阻抗，h
11
表示输入电流对输入电压的控制作用，h
12
表示输出电压对输入电压的控制作用，h
21
表示输入电流对输出电流的控制作用，h
22
表示输出电压对输出电流的控制作用。h
11
的单位是欧姆，h
22
的单位是西门子，h
12
和h
21
是没有单位的。
[0058]
进一步作为优选实施例，所述第一功率放大单元包括第一匹配网络、第三电感l3、第十一电阻r11、第九电容c9、第十电容c10、第七电容c7、第九电阻r9、第一功率放大管m1、第一漏极传输线tl1、第十三电容c13、第一电感l1、第三电容c3、第一宽带线z1、第二宽带线z2、第三宽带线z3；
[0059]
所述第一匹配网络的第一端与前级分离单元的第一输出端连接，所述第一匹配网络的第二端、第十一电阻r11的第一端、第七电容c7的第一端与第九电阻r9的第一端连接，所述第十一电阻r11的第二端与第三电感l3的第一端连接，所述第三电感l3的第二端、第九电容r9的第一端与vg1电源端连接，所述第十电容c10的第一端、第一漏极传输线tl1的第一端与vd1电源端连接，所述第九电容c9的第二端、第十电容c10的第二端均接地，所述第七电容c7的第二端、第九电阻r9的第二端与第一功率放大管m1的基极连接，所述第一功率放大管m1的漏极、第一漏极传输线tl1的第二端、第十三电容c13的第一端与第一电感l1的第一端连接，所述第一功率放大管m1的源极、第十三电容c13的第二端与地端连接，所述第一电感l1的第二端、第三电容c3的第一端与第一微带线z1的第一端连接，所述第三电容c3的第二端接地，所述第一微带线z1、第二微带线z2、第三微带线z3依次连接，所述第三微带线z3的第二端与后级合成单元的第一输入端连接。
[0060]
上述方案中，所述第七电容c7与第九电阻r9并联构成第一稳定网络，连接于第一功率放大管m1的基极，目的是提高功放的稳定性，抑制潜在震荡，通过优化第七电容c7的额取值可以减少第九电阻r9对高频增益带来的影响；所述第三电感l3、第十一电阻r11和第一
漏极传输线tl1构成第一偏置网络，所述第三电感l3为大感值的射频扼流线圈，用以阻隔交流信号并提供一条支流通路；所述第九电容c9和第十电容c10用于滤波；所述第十三电容c13是第一功率放大管m1的等效输出寄生电容，所述第一电感l1和第三电容c3作为阻抗匹配的一部分，与第一微带线z1、第二微带线z2和第三微带线z3共同构成第一短阶梯阻抗变换器，用于替代原本的四分之一波长传输线；所述第一微带线z1、第二微带线z2和第三微带线z3是特征值和长度均不相同的微带线；漏极传输线用于隔离交流信号。
[0061]
进一步作为优选实施例，所述第二功率放大单元包括第四微带线z4、第五微带线z5、第六微带线z6、第二电感l2、第四电容c4、第十二电阻r12、第四电感l4、第八电容c8、第十电阻r10、第十一电容c11、第十二电容c12、第二功率放大管m2、第二漏极传输线tl2、第十四电容c14和第二匹配网络，其中：
[0062]
所述第四微带线z4的第一端与前级分离单元的第二输出端连接，所述第四微带线z4、第五微带线z5和第六微带线z6依次连接；所述第六微带线z6的第二端与第二电感l2的第一端连接，所述第二电感l2的第二端、第四电容c4的第一端、第十二电阻r12的第一端、第八电容c8的第一端与第十电阻r10的第一端连接；所述第八电容c8的第二端、第十电阻r10的第二端与第二功率放大管m2的基极连接；所述第二功率放大管m2的发射极、第十四电阻r14的第一端与地端连接，所述第二功率放大管m2的集电极、第十四电容c14的第二端、第二漏极传输线tl2的第一端与第二匹配网络的第一端连接；所述第十二电阻r12的第二端与第四电感l4的第一端连接；所述第四电感l4的第二端、第十一电容c11的第一端与vg2电源端连接，所述第二漏极传输线tl2的第二端、第十二电容c12的第一端与vd2电源端连接；所述第十一电容c11的第二端、第十二电容c12的第二端均接地；所述第二匹配网络的第二端与后级合成单元的第二输入端连接。
[0063]
上述方案中，第二功率放大单元中的元器件组成部分与第一功率放大单元类似，其工作原理也同理于第一功率放大单元。
[0064]
参照图5，可看出利用第一短阶梯阻抗变换器和第二短阶梯阻抗变换器替换四分之一波长传输线之后，s21整体趋于平缓，带宽拓宽，替换之后线长仅为原本的二分之一，版图尺寸也相应的缩小。
[0065]
进一步作为优选实施例，还包括第五电容c5和第六电容c6，所述第五电容c5接于前级分离单元的输入端，所述第六电容c6接于后级合成单元的输出端。
[0066]
上述方案中，第五电容c5和第六电容c6是隔直电容。
[0067]
进一步作为优选实施例，还包括第十三电阻r13和第十四电阻r14，所述第十三电阻r13接于前级分离单元的隔离端，所述第十四电阻r14的第一端与后级合成单元的输出端连接，所述第十四电阻r14的第二端接地。
[0068]
上述方案中，第十三电阻r13和第十四电阻r14起到耦合器前后之间隔离的作用。
[0069]
进一步作为优选实施例，第一功率放大管m1、第二功率放大管m2的峰值功率不同。
[0070]
本发明在原doherty结构的基础上，优化了晶体管的尺寸，采用两个峰值功率不同的功率管，构成非对称网络，提高回退量。假设p1(w)和p2(w)分别代表载波功放和峰值功放的峰值输出功率，α表示第一个效率峰值时的功率回退量，令
[0071]
[0072]
利用上式求得功率回退量为
[0073][0074]
传统doherty结构有p1(w)＝p2(w)，则γ＝2，α＝-6db；当γ＝3时，α＝-10db，即可得到10db的回退量。载波功放和峰值功放的管芯尺寸之比为1：3，故饱和输出功率也近似为1：3，γ＝3。非对称结构和对称结构的原理和工作状态类似，不同的是阻抗变换有所不同。载波功放和峰值功放在不同状态下的输出阻抗rc和rp表达式如下：
[0075][0076][0077]rl
表示整个功率放大器的负载电阻。
[0078]
非对称dpa可以分为低功率、中功率和高功率三个工作状态。在低功率输出状态，即输入功率尚未使载波功放饱和时，峰值功放未开启，其输出阻抗为无穷大，载波放输出阻抗为150欧姆，使其提前饱和，效率达到第一个峰值，此时可将载波功放看作一个受控的电流源。随着输入信号不断增加，峰值功放逐渐开启，dpa进入中功率输出状态，载波功放电压基本恒定，阻抗值由150欧姆逐渐向50欧姆转变，电流仍然增大，视其为受控的电压源。输入信号继续增大，当峰值功放也达到饱和状态时，整个非对称dpa进入高功率输出状态，输出功率达到最大，效率也再次达到峰值。
[0079]
图6是本发明的非对称结构dpa与对称结构dpa的效率曲线和回退量对比曲线，实线表示本发明的非对称结构dpa，虚线表示传统结构dpa，由图可知，本发明的非对称结构dpa更能满足高峰均比的需求。
[0080]
本发明的非对称结构dpa可在输入功率范围内稳定提高功率放大器的工作带宽，并可应用于毫米波电路，同时，不会损耗太多功率增益。
[0081]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种非对称doherty功率放大器，其特征在于，包括前级分离单元、第一功率放大单元、第二功率放大单元、后级合成单元和非福斯特电路，其中：所述前级分离单元的第一输出端与第一功率放大单元的输入端连接，所述前级分离单元的第二输出端与第二功率放大单元的输入端连接，所述第一功率放大单元的输出端与与后级合成单元的第一输入端连接，所述第二功率放大单元的输出端与后级合成单元的第二输入端连接，所述非福斯特电路接于后级合成单元的隔离端；所述前级分离单元用于将输入信号分成两路并分别输入至第一功率放大单元、第二功率放大单元；所述后级合成电路用于将两路信号合成。2.根据权利要求1所述一种非对称doherty功率放大器，其特征在于，所述非福斯特电路包括第一晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、模拟电源、第二晶体管、第一电容、第四电阻、第五电阻、第二晶体管、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第二电容，其中：所述第一晶体管的发射极与后级合成单元的隔离端连接，所述第一晶体管的基极、第一电阻的第一端与第二电阻的第一端连接，所述第一晶体管的集电极、第三电阻的第一端与第一电容的第一端连接；所述第二电阻的第二端、第三电阻的第二端、模拟电源的正端、第四电阻的第一端与第五电阻的第一端连接；所述第一电容的第二端、第四电阻的第二端、第八电阻的第一端、第七电阻的第一端与第二晶体管的基极连接；所述第二晶体管的集电极与第五电阻的第二端连接，所述第二晶体管的发射极与第六电阻的第一端连接；所述第八电阻的第二端与第二电容的第一端连接；所述第一电阻的第二端、模拟电源的负端、第六电阻的第二端、第七电阻的第二端与第二电容的第二端连接。3.根据权利要求1所述一种非对称doherty功率放大器，其特征在于，所述第一功率放大单元包括第一匹配网络、第一稳定网络、第一偏置网络、第一功率放大管和第一短阶梯阻抗变换器，其中：所述第一输入匹配网络的输入端与前级分离单元的第一输出端连接，所述第一输入匹配网络的输出端、第一偏置网络的第一端与第一稳定网络的第一端连接；所述第一稳定网络的第二端与第一功率放大管的基极连接；所述第一功率放大管的漏极、第一偏置网络的第二端、第一短阶梯阻抗变换器的第一端连接；所述第一短阶梯阻抗变换器的第二端与后级合成单元的第一输入端连接。4.根据权利要求3所述一种非对称doherty功率放大器，其特征在于，所述第二功率放大单元包括第二短阶梯阻抗变换器、第二稳定网络、第二偏置网络、第二功率放大管和第二匹配网络，其中：所述第二短阶梯阻抗变换器的第一端与前级分离单元的第二输出端连接，所述第二短阶梯阻抗变换器的第二端、第二稳定网络的第一端与第二偏置网络的第一端连接；所述第二稳定网络的第二端与第二功率放大管的基极连接；
所述第二功率放大管的集电极、第二偏置网络的第二端与第二匹配网络的输入端连接；所述第二匹配网络的输出端与后级合成单元第二输入端连接。5.根据权利要求4所述一种非对称doherty功率放大器，其特征在于，所述第一短阶梯阻抗变换器包括第一电感、第三电容和第一微带线组，所述第二短阶梯变换器包括第二电感、第四电容和第二微带线组，其中：所述第一电感的第一端与第一功率放大管集电极连接，所述第一电感的第二端、第三电容的第一端与第一微带线组的第一端连接；所述第一微带线组的第二端与后级合成单元的第一输入端连接；所述第二微带线组的第一端与前级分离单元的第二输出端连接，所述第二微带线组的第二端与第二电感的第一端连接；所述第二电感的第二端、第四电容的第一端与第二稳定网络的第一端连接；所述第三电容的第二端接地，所述第四电容的第二端接地。6.根据权利要求5所述一种非对称doherty功率放大器，其特征在于，还包括第五电容和第六电容，其中：所述第五电容接于前级分离单元的输入端；所述第六电容接于后级分离单元的输出端。7.根据权利要求6所述一种非对称doherty功率放大器，其特征在于，第一功率放大管与第二功率放大管的峰值功率不同。

技术总结
本发明公开了一种非对称Doherty功率放大器，包括前级分离单元、第一功率放大单元、第二功率放大单元、后级合成单元和非福斯特电路，所述前级分离单元的第一输出端与第一功率放大单元的输入端连接，所述前级分离单元的第二输出端与第二功率放大单元的输入端连接，所述第一功率放大单元的输出端与与后级合成单元的第一输入端连接，所述第二功率放大单元的输出端与后级合成单元的第二输入端连接，所述非福斯特电路接于后级合成单元的隔离端；本发明通过等效负电容的网络，连接于合成器的隔离端口，抵消功率放大管的输出寄生电容，减少其对带宽的影响。本发明可广泛应用于射频集成电路领域。领域。领域。


技术研发人员：陈泽涛 张志浩 汤委龙 章国豪
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/18