一种并发结构Doherty功率放大器及其设计方法
【专利摘要】本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种应用于无线通信系统中的并发结构Doherty功率放大器及其设计方法。该放大器，包含N个并联通路，2≤N，每个通路分别包含依次连接的输入滤波器模块，Doherty放大器模块和输出滤波器模块。通过输入滤波器模块分离输入信号的频段，实现信号的分离并分配到对应Doherty放大器模块的输入匹配网络；输出滤波器模块，用于各路之间不同频率信号的输出隔离并消除串扰。本发明设计方法的匹配网络简洁，可实现媲美窄带的效果，充足的N带并发输出功率，对谐波的灵活控制。
【专利说明】
一种并发结构Doherty功率放大器及其设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种应用于无线通信系统中的并发结构 Doherty功率放大器及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 在无线通信系统中，发射机中功率放大器的作用越来越重要，而功率、带宽、效率 增益、线性度始终是功率放大器最关键的因素。随着无线通信系统的急速发展，对于功率放 大器的要求也日益增多，如线性功放、宽带功放和高回退功放等等。
[0003] 近年来，现代通信系统的引入极大的推进了双带以及多带功率放大器的发展，尤 其是工作于基站的功率放大器。Doherty功率放大器由于其优越的回退效率和线性，成为了 宽带高峰均比信号的情况下设计放大器的首选。非单带功放，尤其是双带Doherty功放的应 用，对于硬件及软件产生了极大的节省，这些又反过来推动了学者们对于无线通信系统中 双带功率放大器的研究。
[0004] 很多学者在研究双带及多带Doherty功放，也取得了很多成果。多带Doherty与宽 带Doherty功放相比，首先，受限于Doherty自身的负载调制结构，宽带Doherty功放本身就 很难实现，若要在一个宽的频带范围内实现对每一个频点的最优匹配则几乎是不可能的， 而且并非整个带宽内均是通信系统的使用频点，而双带Doherty功放提供了一个在限制频 带内对双拼载波最优控制的一个解决方案，从而可以使通信系统在两个通带内获得更好的 效果以提升整个系统的性能。此外，在多模多带电路系统中，多带功放更具有优势，尤其是 系统不同通带相差较远的情况。
[0005] 即便双带Doherty功放仅涉及两个工作频段，但是在实际应用中，若仅考虑基波和 二次谐波时，双带Doherty功率放大器的输出匹配网络应当至少在四个频点满足最优阻抗。 传统双带Doherty放大器的负载调整部分、相位补偿线以及功率分配器的设计需要考虑同 时满足两个频段的网络特性，设计难度极大，而且实现效果较差。同时，负载调制在射频天 线之前，谐波就应当被抑制。对于传统双带Doherty功放而言，就意味着在至少四个频点实 现最优阻抗匹配，并抑制谐波，这样的输出匹配网络、负载调制以及相位补偿线是很难实现 的，尤其是当双带Doherty功放的一个通带的谐波频率与另一个通带的基波频率接近甚至 重合的情况，即使实现，也是在损失功率放大器的其他指标为代价的前提下实现的。
[0006] 现有的双带Doherty 功率放大器技术如：P. Saad，P. Co lan tonio，L.Piazzon, F.Giannini,K.Andersson,and C.Fager,"Design of a concurrent dual-band 1.8-2.4-ghz gan-hemt doherty power amplif ier /'Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vo 1 · 60 ,no · 6 ,pp · 1840 -1849, June 2012 ·中所报道，两个通带分别为 1.8GHz和2.4GHz，增益分别为11.8dB和10dB，两个通带内输出功率均为43dBm，输出回退6dB 后的漏极效率分别为60%和44%，漏极饱和效率分别为64%和54%。
【发明内容】
[0007] 针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种并发结构Doherty放大器，该并发结 构Doherty放大器的设计方法可简化非单带Doherty功放设计的复杂度，以实现非单带 Doherty功率放大器。
[0008] 该并发结构Doherty功率放大器，包含N个并联通路，2SN，每个通路分别包含依次 连接的输入滤波器模块，Doherty放大器模块和输出滤波器模块。
[0009] 所述输入滤波器模块，由一个滤波器构成，用于分离输入信号的频段，实现信号的 分离并分配到对应频率功率放大器的输入匹配网络，来确保滤除该路功率放大器工作频率 外的信号。
[00?0]所述Doherty放大器模块是传统单带结构的Doherty功率放大器，包括:功率分配 器、主路输入匹配网络、主路晶体管、主路输出匹配网络、辅路输入匹配网络、辅路晶体管、 辅路输出匹配网络、负载调制电路和相位修正电路。各电路与输入滤波器模块的应用频率 对应。
[0011] 所述输出滤波器模块，由一个滤波器构成，用于各路之间不同频率信号的输出隔 离并消除串扰。
[0012] 上述N个通路的输入滤波器模块构成一个输入滤波网络，经整合端接信号输入端， 输出滤波器模块构成一个输出滤波网络经整合端接信号输出端。
[0013] 其信号传递过程为：
[0014] 输入信号首先经过信号输入端传至输入滤波网络，输入滤波网络中的各频段输入 滤波器模块把输入信号按频段进行分离。
[0015] 接下来，分离后的信号将被并行分配到相应频率功率Doherty放大器模块的输入 匹配网络模块，经Doherty放大器模块处理。
[0016] 然后从Doherty放大器模块的输出匹配网络传递至对应的输出滤波器模块，以实 现各路之间信号的输出隔离、消除串扰以及信号合成。
[0017] 最后各路并行信号在信号输出端实现合成。
[0018] 其设计方法包括：
[0019] 步骤1、设计输入滤波网络分离输入信号中的各频段，实现信号的分离并分 配到相应频率功率Doherty放大器模块的输入匹配网络，Ln为支路N的输入滤波器模块；
[0020] 步骤2、Ai~AN分别作为相应频段信号的Doherty放大器模块。
[0021]步骤3、设计输出滤波网络出~抱用于各路之间不同频率信号的输出隔离，消除各 路之间的信号串扰，Hn为支路N的输出滤波器模块。
[0022]步骤4、将输入滤波器模块、Doherty放大器模块和输出滤波器模块依次按照Lm-Am-Hm对应级联构成各个通路，再将各通路并联，其中KM<N，2<N。
[0023]步骤5、将各通路并联后，输入滤波网络的整合端接信号输入端，输出滤波网络的 整合端接信号输出端。
[0024]本发明的并发结构Doherty功率放大器通过在各路的输入端口处分别设置输入滤 波器，来隔离其余频段的信号以保证每一路仅有该路频段的信号可以进入，并在各路的输 出端口处设置滤波器用于各路之间不同频率信号的输出隔离并消除串扰。通过这种设计的 方法，并发Doherty功率放大器的各路可以分别进行设计，以在每个通带均实现可以媲美窄 带Doherty功率放大器的效果。
[0025]首先，对于谐波的更好抑制。整个并发结构Doherty功率放大器包含有N个通路，每 个通路分别包含一个独立设计工作在相应频段的放大器，以及两个对应的滤波器，来确保 滤除该路功率放大器工作频率外的信号。因此，放大器产生的谐波信号可以更好的得到抑 制，而交调分量则根本不会产生。
[0026] 其次，每路两个滤波器可对每路的Doherty功率放大器进行单独设计而互不影响， 极大的避免了传统N带Doherty放大器的N带负载调整部分的设计、相位补偿线的设计和功 率分配器的设计需要考虑同时满足N个频段的网络特性，设计难度极大，而且实现效果较 差。使得该并发结构N带Doherty功放中每路Doherty功放的设计效果和一般单带Doherty功 放所能达到的效果相当从而提升N带Doherty功放的性能。
[0027]最后，当在该并发结构N带Doherty功率放大器的输入端施加 N带并发的情况下，该 并发结构N带Doherty功率放大器比一般结构N带Doherty功率放大器能保证更加稳定的放 大器增益与输出功率，尤其是输入的N带信号均为大功率信号时，该并发结构N带Doherty所 能提供的输出功率是一般结构N带Doherty功率放大器的N倍。
[0028]为了抑制交调分量和二次谐波，并发结构N带Doherty功率放大器每一路的输入输 出匹配网络模块都加入了滤波网络模块。滤波网络模块分为两类，一类是输入滤波网络模 块;另一类是输出滤波网络模块。输入滤波网络模块的功能就是阻止N带信号的其余带宽信 号进入当前的通路;输出滤波网络则是为了抑制谐波分量，并阻止输出信号之间的互相影 响。
[0029] 综上所述，本发明的效果是：简洁的匹配网络设计方法，可媲美窄带的实现效果， 充足的N带并发输出功率，对谐波的灵活控制。
【附图说明】
[0030] 图1是传统双带Doherty功率放大器的框图结构；
[0031 ]图2是本发明Doherty功率放大器的结构示意图；
[0032]图3是实施例的实物图；
[0033] 图4是实施例的结构框图；
[0034] 图5是实施例的输出滤波器模块的详细结构示意图；
[0035]图6是实施例单音信号和双音并发信号的测试结果图；
[0036] 附图标记:输入滤波器模块-100、输入匹配网络模块-200、功率放大器模块-300、 输出匹配网络模块-400、输出滤波器模块-500, Doherty放大器模块-A。
【具体实施方式】：
[0037] 为了使本发明实施例的目的、技术方案更加明确清晰，在下文中，将参照本发明中 的附图，以一个双带Doherty功率放大器的具体应用为实例，对本发明所提出的拓扑结构和 技术的具体实施应用方式做出详细阐述。
[0038]传统双带Doherty功率放大器的框图结构如图1所示;本实施例的结构如图4所示。
[0039] 输入滤波器模块包括低频输入滤波器模块L1和高频输入滤波器模块L2实现信号 的高低频分离，再并行分配至Doherty放大器模块A1。
[0040] 输出滤波器模块包括低频输出滤波器模块H1和高频输出滤波器模块H2实现信号 的输出隔离和消除串扰。
[0041]信号输出端实现两路并行信号的合成。
[0042]以图2中本发明并发N带Doherty结构功率放大器的结构示意图来做信号传输过程 的详细说明。
[0043] 低频放大电路和高频放大电路又可分别按结构细分为:低频输入滤波器模块101、 低频输入匹配网络模块201、低频Doherty功率放大器模块301、低频输出匹配网络模块401、 低频输出滤波器模块501和高频输入滤波器模块102、高频输入匹配网络模块202、高频 Doherty功率放大器模块302、高频输出匹配网络模块402、高频输出滤波器模块502。
[0044] 输入信号首先经过输入滤波网络100,输入滤波网络100中的低频输入滤波器模块 101和高频输入匹配网络模块102把输入信号中的低频部分和高频部分进行分离;接下来， 分离后的信号将被并行分配到相应频率功率放大器的低频输入匹配网络模块201和高频输 入匹配网络模块202,分别用于低频功率放大器和高频功率放大器的输入匹配，匹配网络用 于放大器的输入匹配，以实现最大能量传输;然后分别依次级联Doherty功率放大器301及 低频输出匹配网络401和Doherty功率放大器302及高频输出匹配网络402;之后，低频输出 匹配网络模块401和高频输出匹配网络模块402的输出信号分别进入低频输出滤波器模块 501和高频输出滤波器模块502,以实现两路之间信号的输出隔离、消除串扰。最后两路并行 信号在信号的输出端实现合成。
[0045]以一个1.8GHz/2.5GHz的并发结构双带Doherty功率放大器的设计与测试为例，进 行设计步骤阐述。其版图结构如图3所示。
[0046] 本发明所提出的新型并发结构双带Doherty功率放大器拓扑结构应用实例的框图 结构如图4所示。
[0047] 在图2中，如果两路信号在进入各自支路之前，非本路频率的信号全部被输入滤波 器L1和H1所滤除，那么功率放大器将不会产生交调产物，另外输出端口的滤波器也可以更 好的抑制谐波。
[0048]如图5所示，当1.8GHz的的输入信号进入滤波器lb的时候，它的二次谐波和三次谐 波通过两个四分之一波长的开路线短路到地，而对于2.5GHz的信号，则被一段四分之波长 的开路线和一段四分之一波长的传输线阻遏(2 11^=0@2.56他）。同理，在如节点处，输入 阻抗Zin,b= °°@1.8GHz。那么，两路Doherty放大器的输出端可以直接连接在一起，而几乎不 产生影响。这就意味着，两路的Doherty放大器可以分别进行设计，从而避免传统双带 Doherty负载调整部分、相位补偿线等矛盾点。
[0049]考虑到在1.8GHz和2.5GHz处，其最优阻抗的实部大约分别是25欧姆和19欧姆，图5 中传输线TLal、TLa2、TLbl和TLb2被设计为：Zout，a = 250hm@l .8GHz，Zout，b = 190hm@ 2.5GHz.
[0050]这就意味着，这两个工作频段是相互独立的，它们的基波信号不会相互干扰，并且 它们所传输的能量可以全部施加于负载之上。
[0051]通过上述的分析，如图5所示为本发明所提出的新型并发结构双带Doherty功率放 大器拓扑结构应用实例的输出滤波器模块的详细结构。
[0052]输入滤波网络L1由一段四分一波长的开路线和一段四分之一波长的传输线构成。 那么，在1.8Ghz处满足Zin2,a =①，在2.5Ghz处满足Zinl,a =通过这种设计方法，1.8GHz的 低频信号和2.5GHz的高频信号在进入它们分别得匹配网络之前就已经完全隔离开了，这样 就可以对低频和高频的输入匹配网络分别进行设计而不互相影响。极大的避免了传统双带 Doherty放大器的负载调整部分、相位补偿线以及功率分配器的设计需要考虑同时满足两 个频段的网络特性，设计难度极大，而且实现效果较差。
[0053]图6分别为本发明所提出拓扑结构实例单音信号和双带并发信号的测试结果图。 表1为本发明所提出拓扑结构应用实例与近年来学术界所报道窄带、双带Doherty功放的对 比。通过对比现有技术双带功放，本发明所提出拓扑结构应用实例有着明显的优势，尤其是 在增益和漏极效率等参数上。
[0054]表1:本发明所提出拓扑结构应用实例的实际测试结果。
[0055]
[0056] *1:单音测试模式;*2:双带并发模式。
【主权项】
1. 一种并发结构Doherty功率放大器，包含N个并联通路，2<N，其特征在于:每个通路 分别包含依次连接的输入滤波器模块，Doherty放大器模块和输出滤波器模块； 所述输入滤波器模块，由一个滤波器构成，用于分离输入信号的频段，实现信号的分离 并分配到对应频率功率放大器的输入匹配网络，来确保滤除该路功率放大器工作频率外的 信号； 所述Doherty放大器模块是传统单带结构的Doherty功率放大器，包括:功率分配器、主 路输入匹配网络、主路晶体管、主路输出匹配网络、辅路输入匹配网络、辅路晶体管、辅路输 出匹配网络、负载调制电路和相位修正电路，各电路与输入滤波器模块的应用频率对应； 所述输出滤波器模块，由一个滤波器构成，用于各路之间不同频率信号的输出隔离并 消除串扰； 上述N个通路的输入滤波器模块构成一个输入滤波网络经整合端接信号输入端，输出 滤波器模块构成一个输出滤波网络经整合端接信号输出端。2. 如权利要求1所述并发结构Doherty功率放大器，其信号传递过程为： 输入信号首先经过信号输入端传至输入滤波网络，输入滤波网络中的各频段输入滤波 器模块把输入信号按频段进行分离； 接下来，分离后的信号将被并行分配到相应频率功率Doherty放大器模块的输入匹配 网络模块，经Doherty放大器模块处理； 然后从Doherty放大器模块的输出匹配网络传递至对应的输出滤波器模块，以实现各 路之间信号的输出隔离、消除串扰以及信号合成； 最后各路并行信号在信号输出端实现合成。3. 如权利要求1所述并发结构Doherty功率放大器，其设计方法包括以下步骤： 步骤1、设计输入滤波网络分离输入信号中的各频段，实现信号的分离并分配到 相应频率功率Doherty放大器模块的输入匹配网络，Ln为支路N的输入滤波器模块； 步骤2、Ai~AN分别作为相应频段信号的Doherty放大器模块； 步骤3、设计输出滤波网络出~抱用于各路之间不同频率信号的输出隔离，消除各路之 间的信号串扰，Hn为支路N的输出滤波器模块； 步骤4、将输入滤波器模块、Doherty放大器模块和输出滤波器模块依次按照Lm-Am-Hm对 应级联构成各个通路，再将各通路并联，其中1 <M<N，2SN; 步骤5、将各通路并联后，输入滤波网络的整合端接信号输入端，输出滤波网络的整合 端接信号输出端。
【文档编号】H03F3/24GK106026934SQ201610334799
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】何松柏, 亓天, 代志江, 史卫民
【申请人】电子科技大学