一种双频Doherty功率放大器及射频分立器件

一种双频doherty功率放大器及射频分立器件
技术领域
1.本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种双频doherty功率放大器及射频分立器件。


背景技术：

2.功率放大器(power amplifier，pa)作为无线通信系统发射机中的关键模块，其价格昂贵、能耗高、产热高，同时又是强非线性器件，不仅直接决定了发射机的性能，还影响到整个无线通信系统的表现。
3.为了使无线通信系统能够平滑的过渡和升级，满足高容量数据快速准确且无失真传输，兼容第二代到第四代通信系统中现存的设备，现阶段要求射频前端可以满足多频或者宽带工作。为了适应通信频段灵活配置的要求和避免不必要的频谱资源浪费，传统的单频带通信方式显然不适用当前的5g时代，因此双频乃至多频通信技术和器件也需要拥有很优秀的性能指标。而doherty功放技术是目前的无线通信系统中应用最广泛的功放技术，主要集中在提高回退效率，这就需要doherty功放在满足效率和线性度的同时，并通过多频带解决方案设计多标准硬件。
4.因此设计具有高性能的双频带，回退效率高，线性度高的功率放大器模块，对于实现高性能、强适用性的无线收发系统具有非常重要的意义。综上所述，如何提高功率放大器线性度和回退效率以及降低电路结构复杂度，成为一个亟需解决的技术难题。


技术实现要素：

5.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种双频doherty功率放大器及射频分立器件。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.一种双频doherty功率放大器，包括输入电路、第一放大电路、第二放大电路以及输出电路；其中，所述第一放大电路和所述第二放大电路的电路结构相同，且相对称；
8.所述输入电路包括50欧姆阻抗线和金属通孔地；
9.所述50欧姆阻抗线的一端连接信号输入端，所述50欧姆阻抗线的另一端通过隔直电容连接至所述第一放大电路的输入端；
10.所述金属通孔地通过50欧姆电阻连接至所述第二放大电路的输入端；
11.所述第一放大电路的输出端和所述第二放大电路的输出端均连接至所述输出电路；
12.其中，所述第一放大电路包括依次连接的双频带90
°
相移分支线耦合器、双频输入匹配电路、稳定与增益平衡电路、晶体管、阻抗预调节电路、双频输出匹配电路以及双频相位补偿线。
13.进一步地，所述双频带90
°
相移分支线耦合器包括两个第一传输线以及一个第二传输线；
14.所述两个第一传输线对称地设置在所述第二传输线的两侧；所述第二传输线的一端通过一个所述第一传输线连接至所述输入电路的输出端，所述第二传输线的另一端通过另一个所述第一传输线连接至所述双频输入匹配电路的输入端；
15.其中，所述第一放大电路上的第一传输线与所述第二放大电路上相对应的第一传输线之间连接有第三传输线，两个所述第一传输线对应两个所述第三传输线。
16.进一步地，所述第一传输线的形状为矩形，所述第一传输线的长边与所述第二传输线连接，所述第一传输线的短边与所述第三传输线连接。
17.进一步地，所述双频输入匹配电路包括依次串联的第四传输线、第五传输线和第六传输线；
18.所述第四传输线的一端通过隔直电容与所述双频带90
°
相移分支线耦合器的输出端连接，所述第四传输线的另一端通过所述第五传输线与所述第六传输线的一端连接，所述第六传输线的另一端连接至所述稳定与增益平衡电路的输出端；
19.其中，在所述双频输入匹配电路中，所述第五传输线的宽度最小，所述第六传输线的宽度最大。
20.进一步地，所述稳定与增益平衡电路包括r-c并联电路和第七传输线；所述第七传输线的形状呈矩形；
21.所述r-c并联电路的一端与所述双频输入匹配电路的输出端连接，所述r-c并联电路的另一端与所述第七传输线中一条短边连接，所述第七传输线中另一条短边连接至所述晶体管的栅极。
22.进一步地，所述第一放大电路还包括双频栅极偏置电路，所述双频栅极偏置电路包括稳定电阻、第十五传输线、第十六传输线、第十七传输线、第十八传输线以及第一旁路电容；
23.所述稳定电阻的一端与所述第七传输线的长边连接，所述稳定电阻的另一端与所述第十六传输线的一端连接，所述第十六传输线的另一端与所述第十八传输线的一端连接，所述第十八传输线的另一端连接至栅极电压源vgs；
24.所述第十五传输线的一端连接在所述第十六传输线的一端上，所述第十七传输线的一端连接在所述第十八传输线的一端上，所述第一旁路电容的一端连接所述第十八传输线连接，所述第一旁路电容的另一端接地。
25.进一步地，所述双频输出匹配电路包括串联的第八传输线和第九传输线；
26.所述第八传输线的一端与所述阻抗预调节电路的输出端连接，所述第八传输线的另一端与所述第九传输线的一端连接，所述第九传输线的另一端与所述双频输出匹配电路的输入端连接；
27.其中，所述阻抗预调节电路为阻抗预调节传输线，所述阻抗预调节传输线的宽度小于所述第八传输线的宽度，且大于所述第九传输线的宽度。
28.进一步地，所述第一放大电路还包括双频漏极偏置电路，所述双频漏极偏置电路包括第十九传输线、第二十传输线、第二十一传输线、第二十二传输线以及第二旁路电容；
29.所述第二十传输线的一端连接至所述阻抗预调节传输线，所述第二十传输线的另一端与所述第二十二传输线的一端连接，所述第二十二传输线的另一端连接至漏极电压源vds；
30.所述第十九传输线的一端连接在所述第二十传输线的一端上，所述第二十一传输线的一端连接在所述第二十二传输线的一端上，所述第二旁路电容与所述第二十二传输线连接，所述第二旁路电容的另一端接地。
31.进一步地，所述输出电路包括双频阻抗变换器，所述双频阻抗变换器包括第十传输线、第十一传输线、第十二传输线、第十三传输线和第十四传输线；所述第十传输线、第十二传输线、第十三传输线和第十四传输线的形状均呈矩形；
32.所述第十传输线中一条长边与所述第一放大电路上的双频相位补偿线连接，所述第十传输线中一条短边与所述第十一传输线的一端连接，所述第十一传输线的另一端与所述第十二传输线的短板连接；
33.所述第十二传输线的一条长边与所述第二放大电路上的双频相位补偿线连接，所述第十二传输线的另一条长边与所述第十三传输线的一条短边连接，所述第十三传输线的另一条短边与所述第十四传输线的长边连接。
34.本发明所采用的另一技术方案是：
35.一种射频分立器件，包括如上所述的一种双频doherty功率放大器。
36.本发明的有益效果是：本发明一方面通过稳定与增益平衡电路在增益、稳定性和线性度之间进行了折衷，提高了合路后的电路线性度；另一方面利用阻抗预调节电路将双频最优阻抗点调节到接近点，降低了输出端电路双频匹配的难度；且将单频组件替换成双频组件，对于连接到同一节点的开路短节线，可以通过合并并联开路短节线来简化结构，合并之后的开路短节线电长度不变，但阻抗是两个并联开路短节线阻抗乘积的平方根，极大地降低电路结构的复杂度。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
38.图1是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的联合仿真图；
39.图2是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的双频增益平衡的示意图；
40.图3是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的主功放双频预调节输出阻抗(
▼
)与负载牵引阻抗(
●
)的史密斯圆图；
41.图4是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的辅功放双频预调节输出阻抗(
▼
)和负载牵引阻抗(
●
)的史密斯圆图；
42.图5是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的双频两段微带线输出匹配网络示意图；
43.图6是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的主功放cr与辅功放pk双频输出匹配网络s参数仿真图；
44.图7是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的双频doherty功率放大器的s参数仿真图；
45.图8是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的双频doherty功率放大器的
稳定性仿真图；
46.图9是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的功率附加效率(pae)与增益(gain)随输出功率(pout)变化仿真图；
47.图10是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的输出功率(pout)随输入功率(pin)变化仿真图；
48.图11是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的频率为1.8ghz处电流源平面输出阻抗随输入功率变化的史密斯圆图；
49.图12是本发明实施例中一种双频doherty功率放大器的频率为5.8ghz处电流源平面输出阻抗随输入功率变化的史密斯圆图。
具体实施方式
50.下面详细描述本发明的实施例，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。
51.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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发明和简化描述，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发明的限制。
52.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
53.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
54.现有的技术中，主要存有以下问题：(1)双频dpa(驱动功率放大器)中两频点处增益跟稳定性的折衷，对于频率比大于3的宽倍频，当其中一频点增益增高时，通常会伴随着该频率稳定性下降以及另一频点的增益下降，因此在这中间需要做性能上的权衡。(2)双频dpa主路和辅路单独操作时的饱和增益，在一定程度上影响了合路之后两频点处的线性度，且两路晶体管栅极偏置电压改变时，功率回退点随之偏移，需要选择合适的偏压使6db功率回退效率尽可能达到最大。(3)双频复阻抗匹配网络的研究：双频匹配结构通常有几种简单的结构，包括：t型、π型结构，或者多枝节开路或短路分布的形式，但是其方法即会增加损耗。因此，本发明将针对双频匹配网络进行简化设计。
55.如图1所示，本实施例提供一种双频doherty功率放大器，包括：双频带90
°
相移分支线耦合器1、双频输入匹配电路2、稳定与增益平衡电路3、晶体管4、阻抗预调节电路5、双频输出匹配电路6、双频相位补偿线7、双频阻抗变换器8、双频栅极偏置电路9、双频漏极偏置电路10、50欧姆阻抗线11、旁路电容连接金属通孔地12、耦合器电阻连接金属通孔地13。
56.所述双频带90
°
相移分支线耦合器1呈对称结构，包括：第一传输线14、第二传输线15、第三传输线16。双频带90
°
相移分支线耦合器1的左上端口经过隔直电容c1、c2连接50欧姆阻抗线11承担射频输入的作用；双频带90
°
相移分支线耦合器1的左下端口连接50欧姆电阻r1接金属通孔地13；双频带90
°
相移分支线耦合器1的右上端口与右下端口同样经过隔直电容c1、c2分别与功放主路与辅路双频输入匹配电路2连接。
57.所述双频输入匹配电路2包括：第四传输线17、第五传输线18、第六传输线19。作为可选的实施方式，所述第五传输线18的宽度最小，所述第六传输线19的宽度最大。
58.所述稳定与增益平衡电路3包括：r-c并联电路20、第七传输线21、50欧姆稳定电阻r3；其中，r-c并联电路20由电阻r2与电容c3并联组成，稳定电阻r3的一端和双频输入匹配网络的第一传输线21连接，另一端和双频栅极偏置电路9连接，第七传输线21的右端与晶体管4的栅极连接。
59.所述双频输出匹配电路6包括：第八传输线22、第九传输线23；其中，第八传输线22左端与阻抗预调节传输线5连接。
60.所述双频阻抗变换器8包括：第十传输线24、第十一传输线25、第十二传输线26、第十三传输线27、第十四传输线28；其中，第十传输线24与第十二传输线26左端分别与主路及辅路相位补偿线7连接，第十四传输线28右端经过隔直电容c1、c2连接50欧姆阻抗线11承担射频输出的作用。
61.所述双频栅极偏置电路9包括：第十五传输线29、第十六传输线30、第十七传输线31、第十八传输线32以及旁路电容c4；其中，旁路电容一端与第十八传输线32和栅极电压源v
gs
相连接，旁路电容的另一端均接地。
62.所述双频漏极偏置电路10包括：第十九传输线33、第二十传输线34、第二十一传输线35、第二十二传输线36以及旁路电容c5；其中，旁路电容一端与第二十二传输线36和漏极电压源v
ds
相连接，旁路电容的另一端均接地。
63.下面结合附图和具体实施例对上述功率放大器作进一步详细的说明。
64.参见图1，本实施例提供一种适用于5g基站的双频高效率线性增强型doherty功率放大器的设计工作频率为1.8ghz和5.8ghz两频点，这里使用晶体管4为10w大功率(gan hemt)器件cg2h40010f，晶体管的静态工作点设定为：主功放为ab类，栅极直流电压为vgs＝-2.7v；辅功放为c类，栅极直流电压为vgs＝-5.4v；漏极电压均为vds＝28v。本实施例中选用的介质基板是罗杰斯5870，最高限制频率为10ghz，介质基板的板厚0.508mm，相对介电常数2.33，金属厚度为0.035mm。
65.本实施例的一种适用于5g基站的双频高效率线性增强型doherty功率放大器，该功率放大器包括双频带90
°
相移分支线耦合器、双频输入匹配电路、稳定与增益平衡电路、晶体管、阻抗预调节电路、双频输出匹配电路、双频相位补偿线、双频阻抗变换器、双频栅极偏置电路、双频漏极偏置电路，如图1所示。
66.根据图2所示的增益平衡电路仿真示意图，低频处的增益得到了降低，有效避免了合路后增益压缩过于严重，有利于提升整体电路线性度。
67.根据图3、图4所示的主功放与辅功放的双频预调节输出阻抗与负载牵引阻抗的史密斯圆图，可见两个工作频点处预调节输出阻抗对负载牵引阻抗是相对应的，当输出阻抗被预调节到同一阻抗，负载牵引最优阻抗也会随之吸引到近乎同一点。
68.接下来使用图5所示的双频两段微带线输出匹配网络进行匹配，其显示了复阻抗z0到实阻抗z
l
(50ω)的匹配过程，首先，第一传输线将z
in
转化为z
l2
，z
l2
在f1＝1.8ghz和f2＝5.8ghz处相互共轭，然后z
l2
|f1，f2通过第二传输线转化为z
l
。具体公式分析如下：
[0069][0070][0071]
等式(3)、(4)为已知条件：
[0072]zin
＝r
0-jx0＝z
0*
ꢀꢀ
(3)
[0073]zl
＝r
l
jx
l
＝50ω
ꢀꢀ
(4)
[0074]zl2
能通过等式(5)两边表示：
[0075][0076]
然后，电长度θ1和θ2在f1和f2处定义为(6)、(7)，以满足双频条件：
[0077]
θ1|f1＝β1*l1，θ1|f2＝β2*l1ꢀꢀ
(6)
[0078]
θ2|f1＝β1*l2，θ2|f2＝β2*l2ꢀꢀ
(7)
[0079]
将等式(6)、(7)代入等式(5)，得到了含有四个未知变量的四个方程式。通过在matlab软件中编写脚本程序，计算出两段微带线特性阻抗z1、z2、电长度θ1和θ2的值。主功放(carrier pa)与辅功放(peaking pa)双频段输出匹配网络s参数仿真结果如图6所示。
[0080]
根据图7、图8所示的一种适用于5g基站的双频高效率线性增强型doherty功率放大器的小信号性能仿真图，其中，在1.8ghz和5.8ghz处，该功率放大器分别拥有12和11.5db的小信号增益，回波损耗s11均小于-10db，且稳定性k值均大于1。
[0081]
根据图9，图10所示的一种适用于5g基站的双频高效率线性增强型doherty功率放大器的大信号性能仿真图，其中包括该功率放大器的增益、输出功率以及漏极效率结果。因此，该双频dpa在1.8ghz和5.8ghz分别具有43.1dbm和43dbm的饱和输出功率，在两个工作频率下，峰值功率附加效率(pae)为61.6％和60％，6-db功率回退的功率附加效率为46.9％和43.5％。
[0082]
根据图11，图12所示的主功放与辅功放分别在双频处电流源平面的输出阻抗随输入功率变化的史密斯圆图，可知，在饱和功率输出时，均变换到50欧姆负载附近，达到了目标。
[0083]
综上所述，本实施例的功率放大器相对于现有技术，具有如下优点及有益效果：
[0084]
(1)线性度增强：本发明在将晶体管通过load-pull得到的双频最优输入和输出阻抗匹配到50ω之前，使用rc稳定电路和连接到晶体管栅极的第七传输线21来平衡两个频率的增益，如图2所示，1.8ghz的最大增益通过第七传输线21被平衡为与5.8ghz的最大增益相近，从而避免了组合dpa在1.8ghz的严重增益压缩，在增益、稳定性和线性度之间进行了折衷，提高了合路后的电路线性度。
[0085]
(2)匹配难度低：本发明公开的双频输出匹配网络不同于传统的双频功率放大器，该匹配方法使用一段连接到晶体管漏极的微带传输线，用于预先调整输出阻抗，以简化双频输出匹配网络，在现有的双频pa中，通常使用复杂的结构来实现两个频率的两个复阻抗匹配到负载50ω。这些结构往往会增加电路的尺寸和损耗，且会由于双频阻抗距离过大，在计算和分析中会存在频率比和带宽限制。而在本发明中，由于双频带输出阻抗已被预先调整为几乎相同的阻抗，先前复杂的匹配过程可以通过简单的两段传输线(第八传输线22、第九传输线23)实现，该传输线可以在两个频率同时将相同的单阻抗匹配到50ω。
[0086]
(3)结构简单：本发明在将单频组件替换成双频组件的同时，对于连接到同一节点的开路短节线，可以通过合并并联开路短节线来简化结构，合并之后的开路短节线电长度不变，但阻抗是两个并联开路短节线阻抗乘积的平方根。且对于双频移相线，采用了单段微带线(7)实现双频的频率与相移的等比例转换，大大减少了复杂枝节的带宽损耗问题。
[0087]
本实施例还提供一种射频分立器件，该芯片包括如图1所示的一种双频doherty功率放大器。
[0088]
本实施例的一种射频分立器件与上述的一种双频doherty功率放大器具有对应的关系，因此具备放大器实施例中对应的功能和有益效果。
[0089]
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。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方式或示例。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方式或示例中以合适的方式结合。
[0090]
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0091]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，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。