一种新型阻抗变换网络宽带Doherty功率放大器

一种新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器
技术领域
1.本实用新型属于射频通信技术领域，特别涉及新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器。


背景技术：

2.随着无线通信技术的飞速发展，通信速度和数据量逐渐提高，频谱资源日益紧张，通信运营商通常会采取更加复杂的调制方式使单位带宽携带的数据量增加，但这也会提高信号的峰均比，且目前的通信系统大部分时间都工作在低功率状态下，这就对作为通信系统一个重要组成部分的射频功率放大器的回退效率提出了更高的要求，但传统功率放大器如a类、ab类在回退状态下的漏极效率太低，无法满足通信系统的要求。而doherty功率放大器由于其结构并不复杂，回退效率高的优点,较为广泛地应用与无线通信系统中，但传统doherty功率放大器存在带宽受限的问题，主要原因是频率的色散效应使频率偏离中心频率时，doherty功率放大器中的后匹配电路和1/4波长微带线偏离设定的最佳阻抗值。
3.针对目前技术中存在的缺陷，实在有必要进行研究，以提供一种综合阻抗变换网络。并以此阻抗变换网络为基础来提出一种在输出功率回退时，仍能工作在最佳阻抗状态的宽带doherty功率放大器。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的缺陷，本实用新型提出了一种新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器，采用六阶低通滤波器来实现宽带阻抗匹配网络，一条1/4波长微带线、一条终端开路的1/2波长线和两条阻抗变换线组成的阻抗变换网络来使功放在不同频率时始终处工作于最佳阻抗状态。
5.为达到上述目的，本实用新型提供了新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器，包括功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路和阻抗变换网络，其中，
6.所述功分器用于将射频输入功率进行等分，一端输出与载波功率放大电路相连接，另一端峰值功率放大电路相连接；
7.所述载波功率放大电路包括载波功放输入输出偏置/匹配电路和载波功率放大器，载波功放输入输出偏置/匹配电路包括载波功放输入偏置/匹配电路和载波功放输出偏置/匹配电路；所述峰值功率放大电路包括相位补偿线、峰值功放输入输出偏置/匹配电路和峰值功率放大器，峰值功放输入输出偏置/匹配电路包括峰值功放输入偏置/匹配电路和峰值功放输出偏置/匹配电路；
8.所述阻抗变换网络的输入端与载波功率放大电路和峰值功率放大电路的输出端相连接，阻抗变换网络的输出端与负载相连接。
9.优选地，所述载波功放输入输出偏置/匹配电路和峰值功放输入输出偏置/匹配电路均由六阶低通滤波器来实现宽带匹配。
10.优选地，所述载波功放输入输出偏置/匹配电路和峰值功放输入输出偏置/匹配电
路均由六条串联微带线组成的分布参数匹配网络来实现宽带匹配，集总参数匹配网络中的电感用高特征阻抗传输线tl1、tl3和tl5进行等效，电容用低特征阻抗终端开路传输线tl2、tl4和tl6进行等效，从而等效为分布参数匹配网络。
11.优选地，所述载波功率放大电路输出匹配至2z
l
，所述峰值功率放大电路输出匹配至z
l
，z
l
为负载阻抗。
12.优选地，所述阻抗变换网络由两条1/4波长阻抗变换线tl7、tl8串联，在载波功率放大电路和峰值功率放大电路的合路点并联一条终端开路1/2波长微带线tl9，最后经过1/4波长阻抗变换线tl10输出至负载。
13.优选地，所述相位补偿线与阻抗变换网络中的微带线tl7、tl8相同或调节载波功率放大电路和峰值功率放大电路的相位差以保持一致。
14.优选地，所述阻抗变换网络使载波功率放大电路在频带范围内6db功率回退时等效负载阻抗保持在2z
l
。
15.本实用新型的有益效果至少包括：
16.1、本实用新型将传统doherty功率放大器中的输入输出匹配网络用六阶低通滤波器来实现，其中电感用高特征阻抗微带线传输线进行等效，电容用低特征阻抗微带传输线进行等效，从而可以实现宽带匹配来提高效率；
17.2、本实用新型用新型阻抗变换网络代替传统doherty功率放大器载波功放输出端的1/4波长微带线和后匹配电路,从而减弱频率的色散效应保证功放工作在最佳阻抗状态来实现宽带高效率。
附图说明
18.为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：
19.图1为本实用新型实施例的新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器的结构框图；
20.图2为本实用新型实施例的新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器的输入输出匹配网络结构示意图；
21.图3为本实用新型实施例的新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器的阻抗变换网络结构示意图；
22.图4为本实用新型实施例的新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器的载波功率放大电路等效负载随频率变化的仿真结果图；
23.图5为本实用新型实施例的新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器的漏极效率、饱和输出功率随频率变化的仿真结果图；
24.图6为本实用新型实施例的新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器的漏极效率、增益随输出功率变化的仿真结果图。
具体实施方式
25.下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。
26.参见图参见图1，新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器，包括功分器10、载波
功率放大电路20、峰值功率放大电路30和阻抗变换网络40，其中，
27.功分器10用于将射频输入功率进行等分，一端输出与载波功率放大电路20相连接，另一端峰值功率放大电路30相连接；
28.载波功率放大电路20包括载波功放输入输出偏置/匹配电路和载波功率放大器22，载波功放输入输出偏置/匹配电路包括载波功放输入偏置/匹配电路21和载波功放输出偏置/匹配电路23；峰值功率放大电路30包括相位补偿线31、峰值功放输入输出偏置/匹配电路和峰值功率放大器33，峰值功放输入输出偏置/匹配电路包括峰值功放输入偏置/匹配电路32和峰值功放输出偏置/匹配电路34；
29.阻抗变换网络40的输入端与载波功率放大电路20和峰值功率放大电路30的输出端相连接，阻抗变换网络40的输出端与负载41相连接。
30.载波功放输入输出偏置/匹配电路和峰值功放输入输出偏置/匹配电路均由六阶低通滤波器来实现宽带匹配。
31.载波功放输入输出偏置/匹配电路和峰值功放输入输出偏置/匹配电路均由六条串联微带线组成的分布参数匹配网络来实现宽带匹配，集总参数匹配网络中的电感用高特征阻抗传输线tl1、tl3和tl5进行等效，电容用低特征阻抗终端开路传输线tl2、tl4和tl6进行等效，从而等效为分布参数匹配网络。
32.载波功率放大电路20输出匹配至2z
l
，峰值功率放大电路30输出匹配至z
l
，z
l
为负载阻抗。
33.阻抗变换网络40由两条1/4波长阻抗变换线tl7、tl8串联，在载波功率放大电路20和峰值功率放大电路30的合路点并联一条终端开路1/2波长微带线tl9，最后经过1/4波长阻抗变换线tl10输出至负载41。
34.相位补偿线31与阻抗变换网络40中的微带线tl7、tl8相同或调节载波功率放大电路20和峰值功率放大电路30的相位差以保持一致。
35.阻抗变换网络40使载波功率放大电路20在频带范围内6db功率回退时，负载41的等效负载阻抗保持在2z
l
。
36.参见图2所示为本实用新型中输入输出匹配网络结构示意图，载波功放输入输出偏置/匹配电路和峰值功放输入输出偏置/匹配电路均由六条串联微带线组成的分布参数匹配网络来实现宽带匹配，集总参数匹配网络中的电感用高特征阻抗(96ω)传输线tl1、tl3和tl5进行等效，电容用低特征阻抗(36ω)终端开路传输线tl2、tl4和tl6进行等效，从而等效为分布参数匹配网络。其中，集总参数元件等效为分布参数元件的公式：
[0037][0038][0039]
其中，l
l
为电感等效为传输线后的长度，lc为电容等效为传输线后的长度，ω为角速度，v
p
是传输线的相速度，l为电感值，c为电容值，z
l
为传输线的高特征阻抗，z
cap
为传输线的低特征阻抗，β为相位常数。
[0040]
参见图3所示为本实用新型中阻抗变换网络40结构示意图，由两条1/4波长阻抗变
换线tl7、tl8串联，在载波功放和峰值功放的合路点并联一条终端开路1/2波长微带线tl9，最后经过1/4波长阻抗变换线tl10输出至负载端。
[0041]
记合路点阻抗为zc，通过传输线理论，则有
[0042][0043][0044][0045]
其中，为归一化频率，
[0046]
再通过两条微带线tl7、tl8将合路点阻抗变换为载波功放的等效负载zc，根据传输线理论有
[0047][0048][0049]
参见图4为本实用新型中载波功放等效负载随频率变化的仿真结果图。将从上述公式中解得的等效负载阻抗zc的实部(re)与虚部(im)提取出来就可以得到图4，由图4可以看出本实用新型(new)与传统(conv)doherty功率放大器相比，将载波功放的等效负载的实部基本贴近理想状态的情况下把等效负载的虚部变换为理想情况(ideal)，从一定程度上解决了负载网络的频散效应，从而可以提高带宽。
[0050]
参见图5为本实用新型中一种新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器的漏极效率、饱和输出功率随频率变化的仿真结果图。所设计的新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器在2.5～3.5ghz的频段内，饱和状态下的漏极效率为65～73％，饱和输出功率为42.5～44dbm。
[0051]
参见图6为本实用新型中一种新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器的漏极效率、增益随输出功率变化的仿真结果图。所设计的新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器在2.5～3.5ghz的频段内，输出功率回退6db时其漏极效率44～50％。
[0052]
基于上述目的，本实用新型还提供了一种对上述的新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器的设计方法，包括以下步骤：
[0053]
s1，设计宽带等分功分器；
[0054]
s2，在所选取的频带内，对功率放大器进行源牵引和负载牵引，得到最佳源阻抗曲线和负载阻抗曲线；
[0055]
s3，根据s1中得到的最佳阻抗要求设计六阶集总参数低通滤波器匹配电路，使输
入端匹配至最佳源阻抗曲线上的阻抗值，载波功率放大电路最佳负载阻抗曲线上的阻抗值匹配至2z
l
，峰值功率放大电路最佳负载阻抗曲线上的阻抗值匹配至z
l
；
[0056]
s4，将s2中得到的集总参数低通滤波器转化为分布参数低通滤波器，集总参数匹配网络中的电感用高特征阻抗传输线进行等效，电容用低特征阻抗终端开路传输线进行等效；
[0057]
s5，进行偏置网络的设计，将设计好的阻抗匹配和偏置网络进行整合搭建，设计一个ab类功率放大器作为载波功率放大电路，设计一个c类功率放大器作为峰值功率放大电路；
[0058]
s6，采用三节1/4波长微带线和一节终端开路1/2波长微带线设计阻抗变换网络，使载波功率放大电路等效负载在功率回退时保持理想情况；
[0059]
s7，在峰值功率放大器的输入端放置相位补偿线，保证峰值功率放大电路和载波功率放大电路的相位一致；
[0060]
s8，将设计好的宽带等分功分器、载波功率放大电路、峰值功率放大电路和阻抗变换网络进行整合调试，搭建成新型阻抗变换网络宽带doherty功率放大器。
[0061]
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。