專利名稱：一種多合體功率放大器及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體的，涉及一種多合體功率放大器及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
隨著綠色環(huán)保、低碳經(jīng)濟(jì)理念在全球不斷的推廣深入人心，運(yùn)營商對于無線通信系統(tǒng)的功耗降低的要求也越來越高。在無線通信系統(tǒng)中，基站設(shè)備中的射頻功率放大器(簡稱功放)是整個系統(tǒng)的核心模塊之一，射頻功率放大器的重要指標(biāo)是功放效率。數(shù)據(jù)分析表明，在整個基站設(shè)備里，功放部分的能耗占到了總體能耗的60%左右，提聞功放的效率從而成為了降低基站設(shè)備功耗，降低運(yùn)營商的運(yùn)營成本OPEX (Operating Expense,運(yùn)營成本)的最有效手段。因此，面對無線通信日益激烈的市場競爭，高效率的射頻功放技術(shù)已經(jīng)成為無線通信行業(yè)競爭的焦點(diǎn)之一。 Doherty (多合體)功放是無線通信系統(tǒng)目前最為廣泛應(yīng)用的一種高效率功放技術(shù)，它是由一位名叫William H. Doherty的美國電子工程師于1936年發(fā)明的。但是在接下來的大約三十年時間里，人們的注意力轉(zhuǎn)移了。直到六十年代末期，隨著通信技術(shù)，特別是衛(wèi)星通信的發(fā)展，將功率放大器的效率和線性問題在一個新的歷史場合重新提出，Doherty放大器又被挖掘出來，廣泛應(yīng)用于七十年代的通信和廣播系統(tǒng)中。目前，Doherty功放與DPD (Digital Pre-distortion,數(shù)字預(yù)失真)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，已成為無線通信系統(tǒng)基站高效率功放主流的構(gòu)架形式。Doherty功放的基本思想是有源負(fù)載牽引，傳統(tǒng)的Doherty功放原理如圖I所示，其主要包括推動級放大器(圖中Drl-Drn)、功率分配(圖中D)、載波放大器(圖中C，也稱為主功放)、峰值放大器(圖中P，也稱為輔助功放)、功率合成電路(圖中Combiner)等。其中，載波放大器工作在B類或AB類，峰值放大器工作在C類。二者分別承擔(dān)不同的輸入信號功率，且需盡可能的使得兩部分功放都工作在各自的飽和區(qū)中，從而保證整個功放在盡量大的輸入信號功率范圍內(nèi)都保持較高的效率，同時保證一定的線性。Doherty功放主要包括如下三種工作狀態(tài)
小信號區(qū)。當(dāng)輸入信號比較小的時候，峰值放大器處于關(guān)斷狀態(tài)，載波放大器工作在AB類，此時，載波放大器工作在最大效率匹配狀態(tài)；
負(fù)載調(diào)制區(qū)。當(dāng)輸入信號增大到一定程度，載波放大器逐漸由放大區(qū)向飽和區(qū)過渡，峰值放大器逐漸由截止區(qū)向放大區(qū)過渡，此時，載波放大器和峰值放大器的負(fù)載都是不穩(wěn)定的，負(fù)載阻抗隨功率的變化而變化；
飽和區(qū)。隨著輸入信號的不斷增大,載波放大器和峰值放大器最終都工作在飽和狀態(tài)，二者均對應(yīng)著50Q負(fù)載，輸出功率相加。運(yùn)營商對通信系統(tǒng)的要求是功耗越低越好，效率越高越好。因此，我們必須不斷尋求進(jìn)一步降低功耗、提升效率的方法。而傳統(tǒng)的Doherty功放主要存在如下缺點(diǎn)
I)理論上Doherty功放的峰值放大器的功耗是非常小的,但是在實(shí)際功放中峰值放大器的功耗卻占到了 10%-20%。這是因?yàn)樵贒oherty功放中峰值放大器工作在C類，在小信號工作時峰值放大器不導(dǎo)通，在放大信號由小逐步變大到一定程度時，載波放大器開始出現(xiàn)壓縮趨勢，此時峰值放大器必須能正常導(dǎo)通工作，否則會對Dro對功放線性的改善造成影響。而c類放大器的導(dǎo)通是隨著信號由小到大逐漸導(dǎo)通的，所以在實(shí)際應(yīng)用中為了在載波放大器開始壓縮時峰值放大器能完全導(dǎo)通，必須使之在更低的電平下提前導(dǎo)通，這樣就增大了峰值放大器的功耗，從而降低了整個功放的效率。2)現(xiàn)有Doherty功放的載波放大器和峰值放大器采用的都是橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)功放管，存在工作頻率低、工作帶寬窄、效率低、功耗高等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種多合體功率放大器及其實(shí)現(xiàn)方法，避免峰值放大器提前導(dǎo)通時增大峰值功耗，同時提高整個峰值放大器的效率。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種多合體功率放大器，其中 多合體(Doherty)功率放大器的峰值放大電路中包括射頻開關(guān)電路，所述射頻開關(guān)電路用于控制所述峰值放大電路的導(dǎo)通；
其中，所述功率放大器的載波放大電路的末級載波放大器是采用高壓異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HVHBT)器件，所述功率放大器的峰值放大電路的末級峰值放大器是采用氮化鎵(GaN)器件。進(jìn)一步地，所述峰值放大電路包括一路或多路峰值放大支路，其中每路所述峰值放大支路中均設(shè)置有所述射頻開關(guān)電路。進(jìn)一步地，所述峰值放大支路由多級峰值放大器組成時，所述射頻開關(guān)電路是設(shè)置在推動級峰值放大器與末級峰值放大器之間，用于控制所述峰值功放支路中末級峰值放大器的導(dǎo)通。進(jìn)一步地,所述射頻開關(guān)電路包括PIN管射頻開關(guān)、或者單片微波集成電路(麗IC)射頻開關(guān)。進(jìn)一步地，所述射頻開關(guān)電路用于，通過以下方式控制所述末級峰值放大器的導(dǎo)通
當(dāng)所述峰值放大支路的輸入信號增大至所述射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平時，所述射頻開關(guān)導(dǎo)通，使所述末級峰值放大器導(dǎo)通。進(jìn)一步地，所述射頻開關(guān)還包括一控制電壓端，通過所述控制電壓端的控制電壓的大小調(diào)節(jié)所述射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平。本發(fā)明還提供了一種多合體功率放大器的實(shí)現(xiàn)方法，所述方法包括
在Doherty功率放大器的峰值放大電路中設(shè)置射頻開關(guān)電路，控制所述峰值放大電路的導(dǎo)通；
其中，所述功率放大器的載波放大電路的末級載波放大器是采用HVHBT器件,所述功率放大器的峰值放大電路的末級峰值放大器是采用GaN器件。進(jìn)一步地，所述方法還包括
所述峰值放大電路包括一路或多路峰值放大支路，其中每路所述峰值放大支路中均設(shè)置有所述射頻開關(guān)電路；
所述射頻開關(guān)電路包括PIN管射頻開關(guān)、或者M(jìn)MIC射頻開關(guān)。
進(jìn)一步地,所述方法還包括
所述峰值放大支路由多級峰值放大器組成時，所述射頻開關(guān)電路是設(shè)置在推動級峰值放大器與末級峰值放大器之間，用于通過以下方式控制所述峰值功放支路中末級峰值放大器的導(dǎo)通當(dāng)所述峰值放大支路的輸入信號增大至所述射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平時，所述射頻開關(guān)導(dǎo)通，使所述末級峰值放大器導(dǎo)通。進(jìn)一步地,所述方法還包括
通過所述射頻開關(guān)上的控制電壓端的控制電壓的大小調(diào)節(jié)所述射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) a)效率高。本發(fā)明避免了 Doherty功放中峰值支路提前導(dǎo)通的缺點(diǎn)，降低了峰值放大器的功耗，提高了整個Doherty功放的批量效率。未使用本發(fā)明地Doherty功放中，一般峰值放大器的功耗占功放總功耗的10%-20%，使用本發(fā)明后，這一比例數(shù)值可降低到5%-10% ；同時本發(fā)明中載波放大器使用HVHBT (高壓異質(zhì)結(jié)雙極晶體管)器件，峰值放大器使用GaN(氮化鎵)器件，效率均遠(yuǎn)高于LDMOS (橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)器件，因此整個功放的效率得到了大幅度的提升。b)低成本。相比一些廠家使用復(fù)雜數(shù)字及射頻電路來改善峰值放大器導(dǎo)通時間的方案，本發(fā)明大幅度降低了功放的產(chǎn)品成本和生產(chǎn)成本；HVHBT+GaN的末級放大方案相比雙路GaN等方案成本要降低很多。 c)體積小。相比一些廠家使用復(fù)雜數(shù)字及射頻電路來改善峰值放大器導(dǎo)通時間的方案，本發(fā)明占用體積要小很多。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中
圖I為傳統(tǒng)的Doherty功率放大器的示意框 圖2為本發(fā)明方案應(yīng)用于二路Doherty架構(gòu)的原理框 圖3為本發(fā)明應(yīng)用于多級多路Doherty架構(gòu)的原理框 圖4為本發(fā)明應(yīng)用示例中應(yīng)用于UMTS 2. IGHz頻段85W功放的示意框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基本原理是通過對Doherty功放的峰值放大支路的信號通斷進(jìn)行控制，減小峰值放大的功耗；同時，通過對末級功放的管型選擇，進(jìn)一步提升整個功放的效率。具體地,本發(fā)明通過在Doherty的峰值放大支路中加入射頻開關(guān)，當(dāng)輸入信號增大到合適的幅度時射頻開關(guān)導(dǎo)通，峰值放大器才導(dǎo)通，避免了峰值放大器的提前導(dǎo)通，進(jìn)而減小了峰值放大器的功耗；同時，末級功放采用HVHBT和GaN器件組合實(shí)現(xiàn)，能夠進(jìn)一步提升整個功放的效率。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。圖2示出了應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)方案應(yīng)用于二路Doherty架構(gòu)的框圖。圖中Pin為輸入信號端口 ；D;rl*“D;rn為推動級放大器；C為載波放大器、P為峰值放大器、S為射頻開關(guān)、Vc為射頻開關(guān)控制電壓(改變Vc的大小可以調(diào)節(jié)射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平)、D為功率分配電路、Combiner為功率合成電路、Pout為信號輸出端口。其中，末級峰值放大器采用GaN功放管，末級載波放大器采用HVHBT功放管。結(jié)合圖2，本發(fā)明的射頻開關(guān)對峰值放大器的控制過程描述如下
當(dāng)峰值放大支路的輸入信號較小(低于射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平時)的時候，整個峰值放大支路處于關(guān)斷狀態(tài)，而此時整個載波放大支路是工作在最大效率匹配的AB類狀態(tài)。當(dāng)峰值放大支路的輸入信號增大到一定程度時,載波放大支路開始逐漸由放大區(qū)向飽和區(qū)過渡，峰值放大支路由截止區(qū)向放大區(qū)過渡，起初峰值放大器并不導(dǎo)通，也就并無功率消耗。而當(dāng)輸入峰值支路的信號達(dá)到射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平時，射頻開關(guān)導(dǎo)通，峰值放大器隨之完全導(dǎo)通。這樣就避免了峰值放大器的提前導(dǎo)通，減小了功耗，提高了功放的效率。
此外，通過改變Vc的大小可以調(diào)節(jié)射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平，從而滿足不同制式信號及不同峰值放大器器件的要求。最后，隨著輸入信號的不斷增大,最終整個載波放大支路和峰值放大支路都工作于飽和狀態(tài)。本發(fā)明技術(shù)方案應(yīng)用于多路多級Doherty功放架構(gòu)的示意圖如圖3所示。圖中Pin為輸入信號端口 ；Dr為推動級放大器；D為功率分配；C11…Cln至Cnl-Cnn構(gòu)成多級Doherty功放的第一條至第n載波放大支路；P11…Pln至Pnl*“Pnn構(gòu)成多級Doherty功放的第一條至第n條峰值放大支路；S1…Sn為第一條至第n條峰值放大支路的射頻開關(guān)電路、Vcl…Vcn為相應(yīng)射頻開關(guān)的控制電壓(改變Vcl-Vcn的大小可以調(diào)節(jié)相應(yīng)射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平)；Combiner為功率合成電路。其性能改善的原理與二路Doherty功放架構(gòu)類似。此外，本發(fā)明實(shí)施例中還提供了一種實(shí)現(xiàn)由射頻開關(guān)控制峰值放大器通斷的方法及Doherty功放的設(shè)計方法。例如某UMTS功放主要技術(shù)要求如下頻率范圍2110MHz-2170MHz,輸出功率85W，輸入信號PAR7dB，增益50dB，效率42%，線性指標(biāo)(包括ACPR、SEM、Out of Band Spurious 等)滿足標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議要求。具體地，應(yīng)用本發(fā)明完成整個功放研發(fā)的過程主要包括以下步驟
步驟A，確定功放架構(gòu)形式。由于本功放輸出功率85W，效率要求42%以上，綜合考慮功放技術(shù)指標(biāo)要求及現(xiàn)有器件狀況決定整個功放采用2路Doherty架構(gòu)形式(如附圖2架構(gòu))。步驟B，選定末級載波放大器(Cl)和末級峰值放大器(Pl)功放管型號。依據(jù)輸出功率和輸入信號PAR要求，選定Triquint的HVHBT功放管TG2H214120作為末級載波放大器件，選定CREE公司的GaN功放管CGH21240F作為末級峰值放大器件。本發(fā)明中的末級載波放大器采用HVHBT功放管，末級峰值功放使用GaN器件，相較于LDMOS器件大大提高了效率，因此整個Doherty功放的效率得到大幅度的提升。由于影響放大電路性能的主要器件是末級放大器，因此，本發(fā)明中，主要針對末級載波放大器和末級峰值放大器進(jìn)行了改進(jìn)。此外，當(dāng)載波放大支路中包括多級載波放大器時，其中的推動級載波放大器可以采用HVHBT功放管，也可以采用LDMOS或GaN器件或其它器件；當(dāng)峰值放大支路中包括多級峰值放大器時，其中的推動級峰值放大器可以采用GaN功放管，也可以采用LDMOS或HVHBT器件或其它器件。步驟C，選定推動級器件。本例中，考慮各方面要求，選定CREE公司的CGH40045作為推動級器件，選定RFMD公司的SXA-389Z作為第一級推動放大器件。步驟D，完成峰值放大支路的射頻開關(guān)電路設(shè)計。該電路的實(shí)現(xiàn)包括PIN管射頻開關(guān)、MMIC射頻開關(guān)等多種形式，開關(guān)電路必需根據(jù)需要能夠快速導(dǎo)通。步驟E，完成溫度補(bǔ)償、環(huán)行器、耦合器等其余電路設(shè)計，最終整個功放的原理圖、PCB設(shè)計。步驟F，完成整個功放的調(diào)試及測試。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施案例而已，并不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，上述的本發(fā)明的各模塊或各步驟可以用通用 的計算裝置來實(shí)現(xiàn)，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網(wǎng)絡(luò)上，可選地，它們可以用計算裝置可執(zhí)行的程序代碼來實(shí)現(xiàn)，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執(zhí)行，并且在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟，或者將它們分別制作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟制作成單個集成電路模塊來實(shí)現(xiàn)。這樣，本發(fā)明不限制于任何特定的硬件和軟件結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種多合體功率放大器,其特征在于， 多合體(Doherty)功率放大器的峰值放大電路中包括射頻開關(guān)電路，所述射頻開關(guān)電路用于控制所述峰值放大電路的導(dǎo)通； 其中，所述功率放大器的載波放大電路的末 級載波放大器是采用高壓異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HVHBT)器件，所述功率放大器的峰值放大電路的末級峰值放大器是采用氮化鎵(GaN)器件。
2.如權(quán)利要求I所述的功率放大器，其特征在于， 所述峰值放大電路包括一路或多路峰值放大支路，其中每路所述峰值放大支路中均設(shè)置有所述射頻開關(guān)電路。
3.如權(quán)利要求2所述的功率放大器，其特征在于， 所述峰值放大支路由多級峰值放大器組成時，所述射頻開關(guān)電路是設(shè)置在推動級峰值放大器與末級峰值放大器之間，用于控制所述峰值功放支路中末級峰值放大器的導(dǎo)通。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的功率放大器，其特征在于， 所述射頻開關(guān)電路包括PIN管射頻開關(guān)、或者單片微波集成電路(MMIC)射頻開關(guān)。
5.如權(quán)利要求4所述的功率放大器，其特征在于， 所述射頻開關(guān)電路用于，通過以下方式控制所述末級峰值放大器的導(dǎo)通 當(dāng)所述峰值放大支路的輸入信號增大至所述射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平時，所述射頻開關(guān)導(dǎo)通，使所述末級峰值放大器導(dǎo)通。
6.如權(quán)利要求5所述的功率放大器，其特征在于， 所述射頻開關(guān)還包括一控制電壓端，通過所述控制電壓端的控制電壓的大小調(diào)節(jié)所述射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平。
7.一種多合體功率放大器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述方法包括 在Doherty功率放大器的峰值放大電路中設(shè)置射頻開關(guān)電路，控制所述峰值放大電路的導(dǎo)通； 其中，所述功率放大器的載波放大電路的末級載波放大器是采用HVHBT器件,所述功率放大器的峰值放大電路的末級峰值放大器是采用GaN器件。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 所述峰值放大電路包括一路或多路峰值放大支路，其中每路所述峰值放大支路中均設(shè)置有所述射頻開關(guān)電路； 所述射頻開關(guān)電路包括PIN管射頻開關(guān)、或者M(jìn)MIC射頻開關(guān)。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 所述峰值放大支路由多級峰值放大器組成時，所述射頻開關(guān)電路是設(shè)置在推動級峰值放大器與末級峰值放大器之間，用于通過以下方式控制所述峰值功放支路中末級峰值放大器的導(dǎo)通當(dāng)所述峰值放大支路的輸入信號增大至所述射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平時，所述射頻開關(guān)導(dǎo)通，使所述末級峰值放大器導(dǎo)通。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 通過所述射頻開關(guān)上的控制電壓端的控制電壓的大小調(diào)節(jié)所述射頻開關(guān)的導(dǎo)通電平。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多合體功率放大器及其實(shí)現(xiàn)方法，Doherty功率放大器的峰值放大電路中包括射頻開關(guān)電路，射頻開關(guān)電路用于控制峰值放大電路的導(dǎo)通；其中，功率放大器的載波放大電路的末級載波放大器是采用HVHBT器件，功率放大器的峰值放大電路的末級峰值放大器是采用GaN器件。本發(fā)明避免了Doherty功放中峰值支路提前導(dǎo)通的缺點(diǎn)，降低了峰值放大器的功耗，提高了整個Doherty功放的批量效率。
文檔編號H03F1/07GK102761310SQ20111011031
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者劉建利, 崔曉俊, 段斌, 陳化璋 申請人:中興通訊股份有限公司