專利名稱：一種多路非對稱Doherty放大器的制作方法
技術領域：
本發明屬于基站功率放大器技術領域，具體涉及ー種用于多載波基站系統中的多路非對稱Doherty放大器結構。
背景技術：
射頻功率放大器是無線通信基站系統的關鍵部件，基站系統的能耗大部分都由射頻功率放大器消耗，隨著人類對綠色環保的重視，無線通信領域對射頻功率放大器的效率要求越來越高。Doherty放大器是在目前的無線通信系統中應用最為廣泛的ー種高效率技術，傳統Doherty放大器電路的原理如附圖1所示，由輸入功分器1、載波放大器3、峰值放大器 4.功率合成/阻抗變換網絡電路5組成，輸入功分器1與負載2連接。在小信號電平輸入吋，峰值放大器4處于關閉狀態，載波放大器3的輸出被功率合成/阻抗變換網絡電路5牽引到了一定的負載，使得載波放大器3工作在高效率狀態，隨著輸入信號電平的提高，峰值放大器4由關閉狀態逐漸開啟，載波放大器3以及峰值放大器4的輸出負載隨著輸出功率的變化而變化，當輸入信號電平達到最大值時，載波放大器3和峰值放大器4都達到了飽和狀態而工作在高效率狀態。目前傳統的Doherty放大器電路在信號峰均比為5 7dB的情況下可達到最好效率在50%左右，應用到射頻功率放大器整機中后，效率最高也只能做到43%左右，很難進 ー步提高，然而隨著無線寬帶網絡的進ー步發展，信號的帶寬要求越來越寬，信號峰均比也越來越高，要求功放效率也越來越高。因此如何進ー步有效提高射頻功率放大器的效率特別是在高峰均比條件下的效率是射頻功率放大器領域的一個值得深入研究的課題。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種多路非対稱Doherty放大器，在高峰均比回退的情況下能夠提高效率。本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為一種多路非対稱Doherty放大器，其特征在于它包括多路功率分配網絡電路、1個載波放大器、至少2個峰值放大器、以及輸出功率合成及阻抗變換網絡電路；載波放大器和峰值放大器的輸入端分別與所述多路功率分配網絡電路連接，載波放大器和峰值放大器的輸出端分別與所述輸出功率合成及阻抗變換網絡電路連接；所述至少2個峰值放大器中，第一峰值放大器的功率是所述載波放大器的功率的 0. 7 1. 3倍，其余峰值放大器的功率逐級翻倍，且翻倍系數為1. 5 2. 5，定義所述載波放大器的功率為P。，所述峰值放大器的功率逐級為Ppl、Pp2... Ppfn-^Ppn, PJ Ppl = (0. 7 1. 3) Pc> Pp2 = (1·5 2·5)Ρρ1、…、Ppn= (1.5 2.5) -^),其中η為峰值放大器個數。按上述方案，所述多路功率分配網絡電路由混合耦合器、微帶線功分器、帶狀線功分器、同軸電纜功分器中的ー種或幾種元件構成，用于將輸入信號分配成至少三路功率。
按上述方案，所述功率合成及阻抗變換網絡電路由分離式的耦合、微帶線、帯狀線、同軸電纜、微波電容中的ー種或幾種構成，用于將所有峰值放大器和載波放大器輸出的射頻信號進行功率合成及阻抗變換后輸出。按上述方案，所述的每個載波放大器和峰值放大器前分別串聯一個延時移相調幅網絡電路，用于引入群時延、插入相位和插入損耗，使得放大路徑在所述工作頻帶內的群時延、插入相位、以及增益參數特征一致。按上述方案，所述的延時移相調幅網絡電路包括微帶線、帯狀線、表面安裝元件、 同軸電纜中的至少之ー的元件。按上述方案，本放大器由獨立元件構成，或由多顆放大管管芯及相應的輔助元件采用半導體制作エ藝集成在單芯片中構成單芯片集成電路。本發明的工作原理是射頻放大器電路的設計采用了至少三路的非対稱的拓撲結構。在輸入端輸入ー個高峰均比的信號，在輸入信號為均值及均值以下信號吋，峰值放大器處于關閉狀態，載波放大器的輸出被功率合成及阻抗變換網絡電路牽引到了一定的負載， 使得載波放大器工作在高效率狀態；隨著輸入信號電平的提高，峰值放大器由關閉狀態逐漸開啟，載波放大器以及峰值放大器的輸出負載隨著輸出功率的變化而變化；當輸入信號電平達到最大峰值時，載波放大器峰值放大器都達到了飽和狀態而工作在高效率狀態。本發明的有益效果為1、實驗證明，采用本非対稱Doherty放大器實現的三路非對稱Doherty放大器電路回退7dB時輸出7dB峰均比的GSM多載波信號情況下，效率可以達到56%以上，將該非對稱Doherty放大器的電路應用到具有驅動級和輸出隔離器的功放整機中，功放整機回退 7dB的效率可以達到48% -50%以上，輸出GSM 6載波的互調抑制可以做到彡_63dBc，輸出 GSM 4載波的互調抑制可以做到< -65dBc。采用本非対稱Doherty放大器實現的四路非對稱Doherty放大器電路應用到具有驅動級和輸出隔離器的功放整機中，功放整機回退7dB 的效率可以達到50% -52%。隨著峰值放大器級數的増加，則可以滿足更高的峰均比及效率要求。2、本設計通過采用了多路非對稱的Doherty拓撲結構，在放大高峰均比信號情況下有更高的效率，配合外加的DPD (數字預失真)補償電路時能夠達到較好的線性；同時又能做到較低成本且工作可靠、穩定。3、在每個放大器前分別引入一個簡單的延時移相調幅網絡電路，來抵消不同放大器之間的群時延、插入相位、増益等參數差異，使得放大路徑在所述工作頻帶內的群時延、 插入相位、増益等參數特征一致，從而使輸出射頻信號的功率合成達到最大值，這樣即可以達到較高的效率，也可以滿足高峰均比的需求。
圖1為傳統Doherty放大器的電路原理框圖。圖2為本發明一實施例的電路原理框圖。圖3為本發明ー實施例應用的實例。圖4為本發明又一實施例的電路原理框圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案、工作原理和優點能夠更加清晰明白，下面會結合附圖對本發明進行詳細的說明。實施例一圖2為本發明一實施例的電路原理框圖，它包括多路功率分配網絡電路、1個載波放大器Cl、至少2個峰值放大器Pl-Pn、以及輸出功率合成及阻抗變換網絡電路；載波放大器和峰值放大器的輸入端分別與所述多路功率分配網絡電路連接，載波放大器和峰值放大器的輸出端分別與所述輸出功率合成及阻抗變換網絡電路連接。所述至少2個峰值放大器中，第一峰值放大器的功率是所述載波放大器的功率的 0. 7 1. 3倍，其余峰值放大器的功率逐級翻倍，且翻倍系數為1. 5 2. 5，定義所述載波放大器的功率為P。，所述峰值放大器的功率逐級為Ppl、Pp2... Ppfn-^Ppn, PJ Ppl = (0. 7 1. 3) Pc> Pp2 = (1·5 2·5)Ρρ1、…、Ppn= (1.5 2.5) -^),其中η為峰值放大器個數。多路功率分配網絡電路將輸入信號進行多路功率分配；功率合成及阻抗變換網絡電路將所有放大器電路輸出的射頻信號進行功率合成及阻抗變換后輸出。這種多路非對稱 Doherty放大器結構采用了上述比例的峰值放大器，既可以滿足高信號峰均比的要求，又能達到很高的效率。其中根據翻倍系數來選擇合適的峰值放大器。其中，所述多路功率分配網絡電路可以由混合耦合器、微帶線功分器、帶狀線功分器、同軸電纜功分器中的ー種或幾種元件構成，其實現將輸入的信號分配成至少三路功率。其中，所述功率合成及阻抗變換網絡電路可以由分離式的耦合、微帶線、帯狀線、 同軸電纜中、微波電容等元件中的ー種或幾種構成，實現對多路信號的合路。圖3為本發明ー實施例應用的實例，本實施例選用2個峰值放大器Pl和Ρ2。其中，多路功率分配網絡電路包括第一耦合器101、第二耦合器103、第一吸收負載102、第二吸收負載104。第一耦合器101的隔離端ロ通過微帶線連接所述第一吸收負載 102后接地；第一耦合器101的-90°端ロ通過微帶線連接第二耦合器103的輸入端；第二耦合器103的隔離端ロ通過微帶線連接第二吸收負載104后接地；第二耦合器103的-90° 輸出端ロ通過微帶線與載波放大器Cl的輸入端連接；第二耦合器103的0°輸出端ロ通過微帶線與第一峰值放大器Pl的輸入端連接；第一耦合器101的0°輸出端ロ通過微帶線與第二峰值放大器Ρ2的輸入端ロ連接。多路功率分配網絡電路的功能為進行一路分三路的功率分配，第一耦合器101可選擇通用的3dB耦合器或5dB耦合器，第二耦合器104可選擇通用的3dB耦合器或5dB耦合器。其中，所述載波放大器、所述第一峰值放大器和所述第二峰值放大器的位置不受限制，可以根據實際需要任意調換位置，只要保證功率比例即可。功率合成及阻抗變換網絡電路與載波放大器Cl和峰值放大器PI、P2的輸出端耦合，將放大器電路的輸出信號在內部進行功率合成及阻抗變換后進行輸出，載波放大器和峰值放大器工作在工作頻帶內。所述功率合成及阻抗變換網絡電路包括第一微帶線201、 第二微帶線202、第三微帶線203、第四微帶線204 ；第一峰值放大器的輸出端與第一微帶線 201相連；載波放大器的輸出端與第二微帶線202相連；第二峰值放大器的輸出端與第三微帶線203相連。第一微帶線201、第二微帶線202、第三微帶線203、第四微帶線204的特性阻抗為10Ω至200Ω之間的ー個值，且第一、ニ、三、四微帶線的阻抗不一定是相同的，其電長度也不一定是相同的。
在輸入端輸入ー個高峰均比的信號，在輸入信號為均值及均值以下信號吋，第一峰值放大器和第二峰值放大器處于關閉狀態，載波放大器的輸出被功率合成及阻抗變換網絡電路中的第四微帶線204和第二微帶線202牽引到了一定的負載，使得載波放大器工作在高效率狀態；隨著輸入信號電平的提高，第一峰值放大器和第二峰值放大器由關閉狀態逐漸開啟，載波放大器以及峰值放大器的輸出負載隨著輸出功率的變化而變化；當輸入信號電平達到最大峰值時，載波放大器、第一峰值放大器和第二峰值放大器都達到了飽和狀態而工作在高效率狀態。本發明可廣泛應用于無線通信系統中的多載波、高效率功率放大器上，圖3所示為本發明的功放實例。某GSM功放技術指標要求如下工作頻率925-960MHZ，輸出功率110W，輸入信號峰均比7dB，增益58dB，效率46%，多載波互調抑制小于等于-63dBc。應用本發明完成該功放的開發包括如下步驟步驟1，綜合考慮上述技術指標要求及現有器件狀況，決定采用四級放大電路，其中末級放大電路采用三路非對稱Doherty放大器結構，如圖3所示。步驟2，選定各個放大器型號，根據鏈路増益及功率、效率指標要求，第一小信號放大器302選定Freescale公司的MMG3014NT1，第二小信號放大器304選定NXP公司的 BGA7027，驅動級放大器305選定Freescale公司的40W的功放管MRF8P9040N，載波放大器 Cl選定Freescale公司的120W的功放管MRF8S9120N，第一峰值放大器Pl選定Freescale 公司的120W的功放管MRF8S9120N，第二峰值放大器P2選定Freescale公司的200W的功放管MRF8S9200N，這樣第一峰值放大器的功率同載波放大器的功率一致，第二峰值放大器的功率是第一峰值放大器的功率的1. 7倍，滿足設計要求。步驟3，根據指標要求選定溫補衰減器、級間衰減網絡、隔離器、供電電路等其余器件。步驟4，根據末級的載波放大器和峰值放大器的輸出匹配阻抗及開路特性，確定功率合成/阻抗變換網絡的四個微帶線的阻抗及電長度。步驟5，設計合適的多路功率分配網絡電路，此處使用了兩個混合耦合器來實現。
步驟6，完成整個功放的原理圖、PCB、結構設計。步驟7，完成整個功放的調試測試。該放大器包括輸入射頻連接器Q1，小信號放大器電路，驅動級放大器，末級放大器電路，5. 6V轉5V及溫度傳感器電路，輸出隔離器306，輸出射頻接連接器Q2，溫度上報及功放使能接ロ D1，30V/5.6V供電接ロ D2。末級放大器電路即本發明放大器。其中小信號放大電路包括順次連接的溫補衰減器301，第一小信號放大器302，Π 型衰減器303和第二小信號放大器304，第二小信號放大器304的輸出端連接驅動級放大器305的輸入端，驅動級放大器305的輸出端連接末級放大器電路中第一耦合器101的輸入端，末級放大器電路的輸出接輸出隔離器306的輸入端，輸出隔離器306的輸出端接輸出射頻連接器Q2。輸出功率通過前向耦合電路耦合一部分到前向功率耦合輸出口 Q3，輸出隔離器306的反射端ロ接反向功率耦合輸出ロ Q4。輸入到功放的30V電源通過30V/5. 6V供電接ロ D2連接到功放，5. 6V轉換電路將輸入5. 6V電壓轉換成5V電壓給小信號放大器、驅動級放大器和末級三路放大器供電，功放使能信號通過控制5. 6V轉5V電壓轉換器來控制5V電壓的輸出，為高電平時沒有5V輸出，為低電平或懸空時正常輸出5V，溫度傳感器通過 IIC接ロ將溫度值上報到系統。應用本發明設計完成的該GSM功放能夠完全滿足技術指標要求并有一定的余量， 適合批量生產。本放大器由獨立元件構成，或由多顆放大管管芯及相應的輔助元件采用半導體制作エ藝集成在單芯片中構成單芯片集成電路。實施例ニ 本實施例如圖4所示，結構、原理與實施例一基本相同，其不同之處在于在每個載波放大器和峰值放大器前分別串聯一個延時移相調幅網絡電路，用于引入群時延、插入相位和插入損耗，使得放大路徑在所述工作頻帶內的群時延、插入相位、以及增益參數特征一致。延時移相調幅網絡電路包括微帶線、帯狀線、表面安裝元件、同軸電纜中的至少之ー 的元件。延時移相調幅網絡電路引入延時、插入相位、插入損耗或增益等參數特征，與所述載波放大器和峰值放大器組合進行工作，再配合所述功率分配網絡電路、功率合成及阻抗變化網絡電路，使得多個放大路徑在所述工作頻帶內的時延、插入相位、插入損耗或增益等參數特征一致，從而使多路信號的功率合成達到最大值。這樣即可以達到較高的效率，也可以滿足高峰均比的需求。上述僅為本發明較佳的具體的實現方式的舉例，本發明的保護范圍并不局限于這里所描述的實施例，任何熟悉本領域的基本技術人員基于本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的替換或修改，都應包含在所附權利要求書所限定的范圍之內。
權利要求
1.一種多路非對稱Doherty放大器，其特征在于它包括多路功率分配網絡電路、1個載波放大器、至少2個峰值放大器、以及輸出功率合成及阻抗變換網絡電路；載波放大器和峰值放大器的輸入端分別與所述多路功率分配網絡電路連接，載波放大器和峰值放大器的輸出端分別與所述輸出功率合成及阻抗變換網絡電路連接；所述至少2個峰值放大器中，第一峰值放大器的功率是所述載波放大器的功率的 0. 7 1. 3倍，其余峰值放大器的功率逐級翻倍，且翻倍系數為1. 5 2. 5，定義所述載波放大器的功率為P。，所述峰值放大器的功率逐級為Ppl、Pp2-Pp ( -!>> Ppn，則Ppl= (0. 7 1. 3) Pc> Pp2= (1.5 2.5)Ppl、…、Ppn= (1.5 2.5) Pp ，其中 η 為峰值放大器個數。
2.根據權利要求1所述的多路非對稱Doherty放大器，其特征在于所述多路功率分配網絡電路由混合耦合器、微帶線功分器、帶狀線功分器、同軸電纜功分器中的一種或幾種元件構成，用于將輸入信號分配成至少三路功率。
3.根據權利要求1所述的多路非對稱Doherty放大器，其特征在于所述功率合成及阻抗變換網絡電路由分離式的耦合、微帶線、帶狀線、同軸電纜、微波電容中的一種或幾種構成，用于將所有峰值放大器和載波放大器輸出的射頻信號進行功率合成及阻抗變換后輸出ο
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的多路非對稱Doherty放大器，其特征在于 所述的每個載波放大器和峰值放大器前分別串聯一個延時移相調幅網絡電路，用于引入群時延、插入相位和插入損耗，使得放大路徑在所述工作頻帶內的群時延、插入相位、以及增益參數特征一致。
5.根據權利要求4所述的多路非對稱Doherty放大器，其特征在于所述的延時移相調幅網絡電路包括微帶線、帶狀線、表面安裝元件、同軸電纜中的至少之一的元件。
6.根據權利要求1至3中任意一項所述的多路非對稱Doherty放大器，其特征在于 本放大器由獨立元件構成，或由多顆放大管管芯及相應的輔助元件采用半導體制作工藝集成在單芯片中構成單芯片集成電路。
全文摘要
本發明提供一種多路非對稱Doherty放大器，包括多路功率分配網絡電路、載波放大器、至少2個峰值放大器、輸出功率合成及阻抗變換網絡電路；載波放大器和峰值放大器的輸入端分別與多路功率分配網絡電路連接，載波放大器和峰值放大器的輸出端分別與輸出功率合成及阻抗變換網絡電路連接；至少2個峰值放大器中，第一峰值放大器的功率是載波放大器的功率的0.7～1.3倍，其余峰值放大器的功率逐級翻倍，且翻倍系數為1.5～2.5。采用本放大器的三路非對稱Doherty放大器電路回退7dB時輸出7dB峰均比的GSM多載波信號情況下，效率可達56％以上，且隨著峰值放大器級數的增加，可以滿足更高的峰均比及效率要求。
文檔編號H03F1/07GK102545788SQ201110451569
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者孟慶南 申請人:武漢正維電子技術有限公司