一種頻率比1.25至2.85的雙頻帶Doherty功率放大器的制造方法
【專利摘要】一種頻率比1.25至2.85的雙頻帶Doherty功率放大器，它由主功放（100）、輔助功放（200）、雙頻耦合器（300）、功率合成（400）組成。本發(fā)明可工作在兩個(gè)頻段上，兩個(gè)工作頻率的比值在1.25到2.85之間，雙頻帶耦合器將輸入的射頻信號分為幅度相同，相位相差900的兩路信號，分別送入主功放與輔助功放，經(jīng)功率合成以后輸出。本發(fā)明中為了防止可能出現(xiàn)的自激振蕩，加入了穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明主功放與輔助功放中的雙頻匹配網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)雙頻帶的頻率比合適地選擇雙頻窄帶匹配網(wǎng)絡(luò)或者包含兩工作頻率的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明適用于多頻段通信放大電路。
【專利說明】—種頻率比1.25至2.85的雙頻帶Doherty功率放大器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工作頻率比值在1.25到2.85之間的雙頻帶Doherty功率放大器，屬通訊電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]1936年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的WH.Doherty提出了 Doherty架構(gòu)的高效率功率放大器，其最初使用真空管，為提高傳統(tǒng)振幅調(diào)制的平均效率而設(shè)計(jì)。經(jīng)過多年的發(fā)展，特別是近些年將Doherty功率放大器引入微波領(lǐng)域后，Doherty功放進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。
[0003]傳統(tǒng)的Doherty功放結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，Doherty功率放大器(DPA)由主放大器(Carrier amplifier)和輔助放大器(Peak amplifier)構(gòu)成。主放大器工作于AB類或者B類工作狀態(tài)，輔助功率放大器工作于C類狀態(tài)。功分器將輸入的射頻信號分成兩路分別送入主放大器和輔助放大器，輸入信號較小時(shí)，輔助放大器并未進(jìn)入工作狀態(tài)，輸出功率由主放大器提供。當(dāng)輸入信號的功率到達(dá)某一臨界點(diǎn)時(shí)，輔助放大器剛好進(jìn)入工作狀態(tài)，且主放大器此時(shí)也接近飽和狀態(tài)。若再繼續(xù)增加輸入功率，則輔助功率放大器進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)，整個(gè)Doherty放大器進(jìn)入高輸出功率狀態(tài)。主功放后面的λ/4傳輸線起到阻抗變換的作用，目的是在輔助功放工作時(shí)，起到減小主功放等效負(fù)載阻抗的作用，其原理為有源負(fù)載牽引，即當(dāng)輔助放大器工作時(shí)，隨著其電流的增大，主功放的等效負(fù)載減小，其電流繼續(xù)增大，使得輸出功率與效率維持在較高的水平。
[0004]雙頻帶Doherty功放能工作在兩個(gè)頻段，工作頻率比值在1.25到2.85之間，能夠很好地滿足設(shè)備多頻段的通信需要，減小設(shè)備的體積。雙頻Doherty功放實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于如何將傳統(tǒng)Doherty功放中的單頻率模塊替換為雙頻模塊。本發(fā)明針對此問題，提供一種雙頻帶Doherty功放的【具體實(shí)施方式】。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是,根據(jù)雙頻Doherty功放實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于如何將傳統(tǒng)Doherty功放中的單頻率模塊替換為雙頻模塊的問題，本發(fā)明公開一種工作頻率比值在1.25到2.85之間的雙頻帶Doherty功率放大器。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是,本發(fā)明雙頻帶Doherty功率放大器由主功放100、輔助功放200、雙頻帶耦合器300和功率合成400所組成。
[0007]主功放100包含有雙頻輸入匹配101、柵極偏置102、Carrier功放103、漏極偏置104、雙頻輸出匹配105和雙頻相位補(bǔ)償106 ；
[0008]輔助功放200包含有雙頻輸入匹配201、柵極偏置202、Peak功放203、漏極偏置204、雙頻輸出匹配205和雙頻相位補(bǔ)償206。
[0009]雙頻帶耦合器300，將輸入的射頻信號分成幅度相同，相位相差90°的兩路信號，其設(shè)計(jì)基于具有90°電長度特性的雙頻T型微帶線基本單元，在分別設(shè)計(jì)好等效特性阻抗為50 Ω與35.4 Ω的T型微帶線后，根據(jù)傳統(tǒng)的3dB微帶分支線耦合器設(shè)計(jì)方法即可設(shè)計(jì)所需的雙頻帶耦合器。實(shí)際的PCB電路中，微帶所能實(shí)現(xiàn)的特性阻抗大約為20 Ω到120Ω，用雙頻T型微帶單元設(shè)計(jì)的雙頻耦合器，其能實(shí)現(xiàn)的頻率比值大致為1.25到2.85，雙頻頻率比值范圍較寬。
[0010]功率合成400，包含有:雙頻帶阻抗逆置器401，雙頻帶阻抗變換器402。雙頻帶阻抗逆置器及雙頻帶阻抗變換器分別選用等效特性阻抗為50 Ω與35.4 Ω的90°雙頻T型微帶實(shí)現(xiàn)。
[0011]所述雙頻帶耦合器(300)的端口 Portl連接射頻輸入信號，無相移的輸出端口Port2連接到主功放的輸入端，90°相移端口 Port3連接到輔助功放的輸入端；主功放(100)的輸出端連接到雙頻帶阻抗逆置器(401)的輸入端，輔助功放(200)的輸出端連接到雙頻帶阻抗變換器(402)的輸入端。
[0012]輸入信號接雙頻帶耦合器300的輸入端，雙頻帶耦合器300的輸出端分別接主功放的雙頻輸入匹配101的輸入端和輔助功放的雙頻輸入匹配201的輸入端；主功放的雙頻輸入匹配101的輸出端接?xùn)艠O偏置102的輸入端，柵極偏置102的輸出端接Carrier功放103的輸入端，Carrier功放103的輸出端接漏極偏置104的輸入端，漏極偏置104的輸出端接雙頻輸出匹配105的輸入端，雙頻輸出匹配105的輸出端接雙頻相位補(bǔ)償106的輸入端，雙頻相位補(bǔ)償106的輸出端接功率合成400的雙頻帶阻抗逆置器401的輸入端；輔助功放200的雙頻輸入匹配201的輸出端接?xùn)艠O偏置202的輸入端，柵極偏置202的輸出端接Peak功放203的輸入端，Peak功放203的輸出端接漏極偏置204的輸入端，漏極偏置204的輸出端接雙頻輸出匹配205的輸入端，雙頻輸出匹配205的輸出端接雙頻相位補(bǔ)償206的輸入端，雙頻相位補(bǔ)償106的輸出端與雙頻帶阻抗逆置器401的輸出端共同接功率合成400的雙頻帶阻抗變換器402的輸入端；最終的信號由雙頻帶阻抗變換器402的輸出端輸出。
[0013]本發(fā)明雙頻帶Doherty功率放大器中的柵極偏置102、202中，由90°電長度特性雙頻T型微帶并聯(lián)多個(gè)不同 電容值的去耦電容，在雙頻帶上形成終端短路的λ /4波長線，并且加入了鐵氧體磁環(huán)，防止輸入的射頻信號泄露到直流供電端。電阻Rs并聯(lián)電容Cs的阻容網(wǎng)絡(luò)與電阻tas構(gòu)成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，用以避免功放管在某些頻率點(diǎn)上引起自激振蕩?？烧{(diào)電位器與二極管提供合適的偏壓，且一定程度上能提供溫度補(bǔ)償。
[0014]本發(fā)明雙頻帶Doherty功率放大器中的漏極偏置由90°電長度特性雙頻T型微帶并聯(lián)多個(gè)不同電容值得去耦電容構(gòu)成，且加入了鐵氧體磁環(huán)，阻止射頻信號對直流供電端的影響。諧波抑制結(jié)構(gòu)由兩段終端開路的微帶實(shí)現(xiàn)，物理長度分別對應(yīng)頻率f\、f2處的λ /8與λ 2/8，用于抑制兩個(gè)工作頻段上的二次諧波，一定程度上改善帶外性能。
[0015]本發(fā)明雙頻帶Doherty功率放大器中的雙頻輸入匹配與雙頻輸出匹配根據(jù)兩頻率比值FfVf1 (f2>fi)的范圍來選用雙阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，或者采用寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)頻率比值1.25≤η≤2.85時(shí)，可以用雙阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)頻率比值1.25≤η≤1.5時(shí)，也可以考慮用寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。
[0016]本發(fā)明雙頻帶Doherty功放中的雙頻帶模塊,例如雙頻帶稱合器、雙頻帶阻抗逆置器、雙頻帶阻抗變換器等，在理論上適用于任何兩個(gè)頻帶，而在實(shí)際的PCB電路中，所能實(shí)現(xiàn)的微帶特性阻抗大約為20 Ω到120Ω，因此限定了雙頻頻率比的范圍。本發(fā)明中使用具有90°電長度特性的雙頻T型微帶設(shè)計(jì)的雙頻模塊，能實(shí)現(xiàn)的頻率比值η大致為1.25到2.85，具有寬頻率比。設(shè)計(jì)過程中，主功放100與輔助功放200中可以采用不同的功率管，輔助功放管203選用大功率管，或者輔助功放200中的漏極偏置電壓略大于主功放100中的電壓，也可以兩種方法結(jié)合使用，一定程度上有助于提高Doherty功放的效率和增大功率回退范圍。
[0017]本發(fā)明的有益效果是，雙頻帶Doherty功放能工作在兩個(gè)頻段，工作頻率比值在
1.25到2.85之間，能夠很好地滿足設(shè)備多頻段的通信需要，大大減小設(shè)備的體積，節(jié)省設(shè)備成本。
[0018]本發(fā)明適用于多頻段通信。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為傳統(tǒng)Doherty結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的雙頻帶Doherty功放框圖；
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例所使用的具有90°電長度特性的雙頻T型微帶；
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例所使用的雙頻帶耦合器；
[0023]圖5為本發(fā)明實(shí)施例所提供的柵極偏置及穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)；
[0024]圖6為本發(fā)明實(shí)施例所提供的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)；
[0025]圖7為本發(fā)明實(shí)施例所使用的雙阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；
[0026]圖8為本發(fā)明實(shí)施例所使用的雙頻相位補(bǔ)償線；
[0027]圖9為本發(fā)明實(shí)施例所提供的漏極偏置及諧波抑制網(wǎng)絡(luò)；
[0028]圖10為實(shí)施例一雙頻帶Doherty功放的連接方式；
[0029]圖2中，100是主功放；101是雙頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；102是柵極偏置；103是Carrier功放；104是漏極偏置；105是雙頻輸出匹配；106是雙頻相位補(bǔ)償；200是輔助功放；201是雙頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；202是柵極偏置；203是Peak功放；204是漏極偏置；205是雙頻輸出匹配；206是雙頻相位補(bǔ)償；300是雙頻帶耦合器；400是功率合成；401是雙頻帶阻抗逆制器，50 Ω ;402是雙頻帶阻抗變換器，35.4Ω。
【具體實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明【具體實(shí)施方式】如圖2至圖10所示。
[0031]圖2給出了本發(fā)明實(shí)施例的雙頻帶Doherty功放的結(jié)構(gòu)框圖,該Doherty功放由如下幾部分組成:雙頻帶耦合器300、主功放100與輔助功放200、功率合成400。
[0032]主功放100包含有雙頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)101，柵極偏置102，Carrier功放103，漏極偏置104，雙頻輸入匹配105，雙頻相位補(bǔ)償106 ；
[0033]輔助功放200包含有雙頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)201，柵極偏置202，Peak功放203，漏極偏置204，雙頻輸入匹配205，雙頻相位補(bǔ)償206。
[0034]雙頻帶耦合器300的端口 Portl連接射頻輸入信號，其將輸入的射頻信號分成幅度相同，相位相差90°的兩路信號。無相移的輸出端口 Port2連接到主功放輸入匹配101的輸入端，90°相移端口 Port3連接到輔助功放輸入匹配201的輸入端，耦合器300的端口Port4接50Ω的電阻，用于消除反射波。信號經(jīng)耦合器后，分為兩路信號，分別經(jīng)過各自的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、柵極偏置后，進(jìn)入主放大器、輔助放大器的功放管放大后，通過各支路的漏極偏置、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以及雙頻相位補(bǔ)償后輸出。主功放100中雙頻相位補(bǔ)償模塊的輸出端連接到雙頻帶阻抗逆置器401的輸入端，輔助功放200中雙頻相位補(bǔ)償模塊的輸出端連接到雙頻帶阻抗變換器402的輸入端，最終的信號由阻抗變換器402的輸出端輸出，具體的連接方式見圖2所示。
[0035]柵極偏置及漏極偏置都是由90°電長度特性雙頻T型微帶并聯(lián)多個(gè)不同電容值的去耦電容構(gòu)成。在工作的雙頻上，去耦電容對高頻短路，形成終端短路的λ/4波長線，其輸入阻抗為無窮大，并且加入了鐵氧體磁環(huán)，防止輸入的射頻信號泄露到直流供電端。
[0036]諧波抑制網(wǎng)絡(luò)由兩段終端開路的微帶實(shí)現(xiàn)，分別對應(yīng)工作頻率2f\、2f2處90°的電長度，形成短路，用于抑制2f\、2f2處的頻率，有效改善帶外性能。電阻Rs與Cs并聯(lián)的阻容網(wǎng)絡(luò)與電阻Rbias構(gòu)成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，防止自激振蕩?？烧{(diào)電位器與二極管提供合適的偏壓，且一定程度上能提供溫度補(bǔ)償。
[0037]本發(fā)明中多處使用到了具有90°電長度特性的雙頻T型微帶線基本單元，見圖3所示，下面給出其設(shè)計(jì)的公式。
[0038]令θ_=ηπ，Θ kf(|=m Ji ,其中 n、m 的取值為 1，2,…。
[0039]根據(jù)Θ J Θ f2 = fjf2, Θ 0f2=n Ji ± Θ 0fl, Θ kf2=m π 土 Θ kfl,得到 Θ 0fl, θ 0f2, θ kfl,θ kf2的值；
[0040]根據(jù)公式Ztl=土Zytan( Θ 0fl)得到 Ztl 的值；

tan.[I + cos (2 ft, ) J
[0041]/A 二 ±Z - 2 cos(2 ^q/i)，其中Z。為希望得到的T型微帶線的等
效特性阻抗；如果得到的‘ Zk的值不合適，則重新取n，m的值計(jì)算。
[0042]上面式中，θ οη, Θ 0f2, Θ kfl，Θ kf2分別為圖3中對應(yīng)微帶線在相應(yīng)頻率f\、f2上的電長度JpZb為圖3中相應(yīng)微帶線的特性阻抗；Z。為希望得到的T型微帶線的等效特性阻抗。
[0043]實(shí)施例1
[0044]Doherty功放工作的兩個(gè)頻率比值1.25 ( N=^f1 ( 2.85，其中f2>flt)
[0045]雙頻帶Doherty功放的實(shí)施框圖具體如圖2所示。
[0046]雙頻帶耦合器300選用的是圖4所示的雙頻微帶分支線耦合器，其將輸入的射頻信號分成幅度相同，相位相差90°的兩路信號分別輸入主功放和輔助功放。其設(shè)計(jì)基于具有90°電長度特性的雙頻T型微帶線基本單元，分別設(shè)計(jì)好等效特性阻抗為50 Ω與35.4 Ω的T型微帶線，再根據(jù)傳統(tǒng)的3dB微帶分支線耦合器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，就能得到雙頻微帶分支線率禹合器。
[0047]雙頻帶輸入匹配網(wǎng)絡(luò)101、201及輸入匹配網(wǎng)絡(luò)105、205使用圖7所示的雙阻抗匹
配網(wǎng)絡(luò)。
[0048]柵極偏置102、202使用圖5所示的柵極偏置模塊，偏置網(wǎng)絡(luò)用于防止輸入的射頻信號泄露到柵極直流供電端，電阻Rs并聯(lián)電容Cs的阻容網(wǎng)絡(luò)與電阻Rbias構(gòu)成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，避免功放管在某些頻率點(diǎn)上引起自激振蕩?？烧{(diào)電位器與二極管提供合適的偏壓，且能提供溫度補(bǔ)償。
[0049]漏極偏置104、204使用圖5所示的漏極偏置模塊,偏置網(wǎng)絡(luò)用于防止輸入的射頻信號泄露到漏極直流供電端。諧波抑制結(jié)構(gòu)由兩段終端開路的微帶實(shí)現(xiàn)，用于抑制2f\、2f2處的頻率，有效改善帶外性能。
[0050]雙頻相位補(bǔ)償線106、206使用圖8所示雙頻相位補(bǔ)償結(jié)構(gòu)單元。
[0051]等效特性阻抗分別為50 Ω與35.4 Ω的雙頻帶阻抗逆置器401及阻抗變換器402采用圖3所示的雙頻T型微帶線單元來設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法前面已有敘述。
[0052]實(shí)施例1的雙頻帶Doherty功放的具體連接方式見圖10。
[0053]實(shí)施例2
[0054]當(dāng)Doherty功放工作的兩個(gè)頻率比值1.25≤N=/f1≤1.5時(shí)，實(shí)施例一中的雙頻帶輸入匹配網(wǎng)絡(luò)101、201可以考慮使用寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，式中N的上限不局限于1.5，具體可根據(jù)實(shí)際情況自由確定。
[0055]使用負(fù)載牽引得到的最佳源阻抗與最佳負(fù)載阻抗在不同的頻率點(diǎn)上會略有不同，綜合考慮各性能指標(biāo)后選取合適的源阻抗與負(fù)載阻抗值作為最佳的匹配點(diǎn)。
[0056]下面介紹寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法。
[0057]假設(shè)需要匹配的源阻抗值為Zs=Rs+jXs，負(fù)載阻抗為ZfRJjXy工作的兩個(gè)頻率為 f2,則要設(shè)計(jì)出帶寬從頻率到頻率f2的匹配網(wǎng)絡(luò)，匹配網(wǎng)絡(luò)的Qm值必須滿足下式:
【權(quán)利要求】
1.一種頻率比1.25至2.85的雙頻帶Doherty功率放大器,其特征在于,所述放大器由主功放(100 )、輔助功放(200 )、雙頻帶耦合器(300 )和功率合成(400 )所組成； 所述主功放(100)包含有雙頻輸入匹配(101)、柵極偏置(102)、Carrier功放(103)、漏極偏置(104)、雙頻輸出匹配(105)和雙頻相位補(bǔ)償(106); 所述輔助功放(200)包含有雙頻輸入匹配(201)、柵極偏置(202)、Peak功放(203)、漏極偏置(204)、雙頻輸出匹配(205)和雙頻相位補(bǔ)償(206);所述雙頻帶耦合器(300)，將輸入的射頻信號分成幅度相同，相位相差90°的兩路信號； 所述功率合成(400)，包含有:雙頻帶阻抗逆置器(401)，雙頻帶阻抗變換器(402)； 所述雙頻帶耦合器(300)的端口 Portl連接射頻輸入信號，無相移的輸出端口 Port2連接到主功放的輸入端，90°相移端口 Port3連接到輔助功放的輸入端；主功放(100)的輸出端連接到雙頻帶阻抗逆置器(401)的輸入端，輔助功放(200)的輸出端連接到雙頻帶阻抗變換器(402)的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率比1.25至2.85的雙頻帶Doherty功率放大器，其特征在于，所述雙頻帶耦合器(300)的設(shè)計(jì)基于具有90°電長度特性的雙頻T型微帶線基本單元，在分別設(shè)計(jì)好等效特性阻抗為50 Ω與35.4 Ω的T型微帶線后，根據(jù)傳統(tǒng)的3dB微帶分支線耦合器設(shè)計(jì)方法即可設(shè)計(jì)所需的雙頻帶耦合器；用雙頻T型微帶單元設(shè)計(jì)的雙頻耦合器，其能實(shí)現(xiàn)的頻率比值為1.25到2.85，雙頻頻率比值范圍較寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率比1.25至2.85的雙頻帶Doherty功率放大器，其特征在于，所述柵極偏置網(wǎng)絡(luò)中，由90°電長度特性雙頻T型微帶并聯(lián)多個(gè)不同電容值的去耦電容，在雙頻帶上形成終端短路的λ /4波長線，并且加入了鐵氧體磁環(huán)，防止輸入的射頻信號泄露到直流供電端；電阻Rs并聯(lián)電容Cs的阻容網(wǎng)絡(luò)與電阻Rbias構(gòu)成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，用以避免功放管在某些頻率點(diǎn)上引起自激振蕩；可調(diào)電位器與二極管提供合適的偏壓，且一定程度上能提供溫度補(bǔ)償。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率比1.25至2.85的雙頻帶Doherty功率放大器，其特征在于，所述漏極偏置是由90°電長度特性雙頻T型微帶并聯(lián)多個(gè)不同電容值得去耦電容構(gòu)成，且加入了鐵氧體磁環(huán)；兩段終端開路的微帶用于抑制2階諧波，改善帶外性能，其物理長度分別對應(yīng)頻率之、厶處的λ /8與λ 2/8。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率比1.25至2.85的雙頻帶Doherty功率放大器，所述雙頻帶阻抗逆置器及雙頻帶阻抗變換器分別選用等效特性阻抗為50 Ω與35.4 Ω的90°雙頻T型微帶實(shí)現(xiàn)，具有寬頻率比。
【文檔編號】H03F1/07GK103490733SQ201310443403
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】王杉, 林雁華, 劉海文 申請人:華東交通大學(xué)