一種高線性高效率功率放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高線性高效率功率放大器，包括等分威爾金森功分器、載波功率放大電路、峰值功率放大電路和負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)，載波功率放大電路采用E3F類功率放大器，峰值功率放大電路采用C類功率放大器；載波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一傳輸線TL1、第二傳輸線TL2、第三傳輸線TL3、第四傳輸線TL4、第五傳輸線TL5、第六傳輸線TL6、第七傳輸線TL7和第八傳輸線TL8。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明利用E3F類功放的諧波抑制能力為Doherty提供足夠高的效率，采用普通的C類功放提供足夠的輸出功率，通過載波輸出匹配電路很好的將所有偶次諧波短路和三次諧波開路，使得功放輸出的電流波形近似為半正弦波，電壓波形近似為方波，極大地提高了功放的效率和線性度。
【專利說明】
一種高線性高效率功率放大器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及射頻通訊技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高線性高效率功率放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，無線通信技術(shù)得到了很大的發(fā)展，調(diào)制方式也日趨復(fù)雜。功率放大器，作為發(fā)射機(jī)中的末級模塊，是整個(gè)射頻系統(tǒng)中功耗最大的部件，它的主要作用是對前級輸出的信號進(jìn)行功率放大，然后將放大后的信號送給天線進(jìn)行發(fā)射。由于功率放大器會消耗很大的直流功率，因此效率是功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的重要指標(biāo)，同時(shí)線性度也是功率放大器的關(guān)鍵指標(biāo)。這主要體現(xiàn)在這樣以下幾個(gè)方面:(I)功率放大器的線性度。由于最新通信系統(tǒng)如CMDA、LTE等處于日益嚴(yán)峻的通信環(huán)境中，在整個(gè)信號的傳輸過程中為了保證誤碼率等指標(biāo)，必須提高整個(gè)系統(tǒng)的線性度，而對于射頻發(fā)射前端線性度影響最大的器件就是處于末端的功率放大器。(2)功率放大器的效率。由于功率放大器是整個(gè)射頻發(fā)射單元的最后一級，消耗最多的能量，所以就要求功率放大器的效率要盡可能的高。由于現(xiàn)代通信系統(tǒng)都以調(diào)制信號為主要的傳輸手段，被放大的信號一般具有較高的峰均比，這就要求功率放大器不僅要在輸出最大功率的情況下保持高效率，也要求在功率回退的情況下也有很高的效率。功率回退雖然可以提升線性度，但是隨著功率的回退，效率會大大的降低，功率放大器在整個(gè)系統(tǒng)中，屬于比較耗能的器件，犧牲效率去換取線性度，這種做法對電池的供電時(shí)間和器件的可靠性均有很大的不利影響。為了提高低功率時(shí)的效率，目前已經(jīng)有了多種技術(shù)，如開關(guān)模式功率放大器、包絡(luò)消除和恢復(fù)技術(shù)包絡(luò)跟蹤技術(shù)，非線性元件實(shí)現(xiàn)放大技術(shù)Doherty技術(shù)等。
[0003]Doherty技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，對于實(shí)現(xiàn)高線性高效率功率放大器是個(gè)不錯(cuò)的選擇。但傳統(tǒng)Doherty功率放大器載波功放偏置為AB類工作模式，峰值功放偏置在C類工作模式，由于采用傳統(tǒng)AB類和C類功放，造成Doherty功放的最大飽和效率和回退效率無法進(jìn)一步提升。同時(shí)目前Doherty功率放大器里的載波功率放大器和峰值功率放大器都是只考慮到基波匹配并沒有考慮到諧波控制對效率的提高，Doherty的研究重點(diǎn)是如何提升功率放大器的回退效率。如何提高Doherty功率放大器在功率回退情況下的效率是一個(gè)亟待解決的問題。
[0004]故，針對目前現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，實(shí)有必要進(jìn)行研究，以提供一種方案，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種高線性高效率功率放大器，通過將傳統(tǒng)Doherty功率放大器中的載波功率放大器換成E3F類功率放大器，而其峰值功率放大器依舊保持現(xiàn)有技術(shù)的普通C類，E3F類功率放大器能夠?qū)⑺信即沃C波短路且三次諧波開路，并利用負(fù)載牽引系統(tǒng)來回迭代得到最佳基波負(fù)載和源阻抗，從而提高Doherty功率放大器的線性和效率。
[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種高線性高效率功率放大器，包括等分威爾金森功分器、載波功率放大電路、峰值功率放大電路和負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)；
[0008]所述等分威爾金森功分器用于將輸入信號進(jìn)行功率等分后分別輸出給所述載波功率放大電路和峰值功率放大電路，所述載波功率放大電路的輸出端和所述峰值功率放大電路的輸出端共同與所述負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)相連接，經(jīng)所述負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)將功率輸出給負(fù)載；
[0009]所述載波功率放大電路包括依次串接的載波輸入匹配電路、載波功率放大器和載波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，所述載波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)相接;所述負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)包括特征阻抗為50歐，1/4波長的第一阻抗變換器Rl和特征阻抗為35歐，1/4波長的第二阻抗變換器R2;所述載波放大電路通過所述第一阻抗變換器Rl與所述峰值放大電路相連接，并經(jīng)所述第二阻抗變換器R2將功率輸出給負(fù)載；
[0010]所述的載波功率放大電路采用E3F類功率放大器結(jié)構(gòu)，所述峰值功率放大電路采用普通C類功率放大器結(jié)構(gòu)；
[0011]所述載波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一傳輸線TLl、第二傳輸線TL2、第三傳輸線TL3、第四傳輸線TL4、第五傳輸線TL5、第六傳輸線TL6、第七傳輸線TL7和第八傳輸線TL8，其中，所述第二傳輸線TL2和第三傳輸線TL3的長度為λ/8波長，所述第七傳輸線TL7的長度為λ/12的波長，所述第一傳輸線TLl的一端與載波功率放大器的輸出端相連接，所述第一傳輸線TLl的的另一端與所述第二傳輸線TL2的一端和所述第五傳輸線TL5以及第六傳輸線TL6的一端相連接，所述第五傳輸線TL5的另一端開路;所述第二傳輸線TL2的另一端與所述第三傳輸線TL3的一端和所述第四傳輸線TL4的一端相連接，所述第三傳輸線TL3的另一端和第四傳輸線TL4的另一端開路;所述第六傳輸線TL6的另一端與所述第七傳輸線TL7的一端和所述第八傳輸線TL8的一端相連接，所述第七傳輸線TL7的另一端和第八傳輸線TL8的另一端開路；
[0012]所述第四傳輸線TL4和和所述第八傳輸線TL8為扇形微帶線。
[0013]優(yōu)選地，所述的等分威爾金森功分器與峰值功率放大器之間設(shè)有50歐相位補(bǔ)償線。
[0014]優(yōu)選地，所述的峰值功率放大器與負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)有50歐峰值補(bǔ)償線。
[0015]優(yōu)選地，所述的載波功率放大器與負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)有50歐載波補(bǔ)償線。
[0016]優(yōu)選地，所述載波功率放大器和所述峰值功率放大器采用晶體管實(shí)現(xiàn)。
[0017]優(yōu)選地，所述第一傳輸線TLl、第四傳輸線TL4、第五傳輸線TL5、第六傳輸線TL6和第八傳輸線TL8的參數(shù)根據(jù)實(shí)際輸入信號參數(shù)調(diào)節(jié)。
[0018]優(yōu)選地，所述負(fù)載阻抗為50歐。
[0019]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的高線性高效率功率放大器，將現(xiàn)有Doherty功率放大器的載波放大器替換為E3F類功放，而保持現(xiàn)有峰值放大器不變，利用E3F類功放的諧波抑制能力為Doherty提供足夠高的效率，由于峰值功放對載波功放具有負(fù)載牽引作用，采用普通的C類功放提供足夠的輸出功率，通過載波輸出匹配電路很好的將所有偶次諧波短路和三次諧波開路，實(shí)現(xiàn)了波形整形的目的，使得功放輸出的電流波形近似為半正弦波，電壓波形近似為方波，極大地提高了功放的效率和線性度。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明高線性高效率功率放大器的結(jié)構(gòu)框圖。
[0021]圖2是本發(fā)明中載波輸出匹配電路中載波輸出匹配電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明高線性高效率功率放大器的仿真效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。
[0024]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，
【申請人】對現(xiàn)有技術(shù)中Doherty功率放大器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，
【申請人】發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中Doherty功率放大器載波功放偏置為AB類工作模式，峰值功放偏置在C類工作模式，并只考慮到基波匹配對效率的影響。
[0025]隨著功率放大器技術(shù)的不斷進(jìn)步，其效率也不斷提高，比如，E類放大器以及通過諧波控制所衍生出的EF類放大器，已經(jīng)得到越來越多的青睞。在對Doherty功率放大器進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，由于其采用對稱結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對其改進(jìn)時(shí)，通常試圖對載波放大器和峰值放大器同時(shí)改進(jìn)。
【申請人】剛開展課題研究的時(shí)候，也是試圖通過用E類放大器或者EF類放大器同時(shí)替代現(xiàn)有技術(shù)的AB類和C類放大器，但在實(shí)際測試中，其效率和線性度并未達(dá)到理想的效果。
[0026]在不斷的試驗(yàn)測試過程中，
【申請人】發(fā)現(xiàn)，將現(xiàn)有Doherty功率放大器的載波放大器由AB類替換為高效率功放(D類、E類或者EF類)，而峰值放大器仍然保持現(xiàn)有技術(shù)C類功放，Doherty功率放大器的效率和線性度能夠得到顯著的提高。究其原因可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)Doherty的功放是由載波功放決定，而峰值功放的主要作用是牽制載波功放并且要能夠輸出一定的功率，而普通的C類就可以完美實(shí)現(xiàn)，如果采用偏向于高效率的EF類，只會適得其反。
[0027]參見圖1，所示為本發(fā)明高線性高效率功率放大器的結(jié)構(gòu)框圖，其與現(xiàn)有Doherty功率放大器的結(jié)構(gòu)類似，包括等分威爾金森功分器、載波功率放大電路、峰值功率放大電路和負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò);等分威爾金森功分器用于將輸入信號進(jìn)行功率等分后分別輸出給載波功率放大電路和峰值功率放大電路，載波功率放大電路的輸出端和峰值功率放大電路的輸出端共同與負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)相連接，經(jīng)負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)將功率輸出給負(fù)載;載波功率放大電路包括依次串接的載波輸入匹配電路、載波功率放大器和載波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，載波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)相接;負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)包括特征阻抗為50歐，1/4波長的第一阻抗變換器Rl和特征阻抗為35歐，1/4波長的第二阻抗變換器R2;載波放大電路通過第一阻抗變換器Rl與峰值放大電路相連接，并經(jīng)第二阻抗變換器R2將功率輸出給負(fù)載，其中，載波功率放大電路采用E3F類功率放大器結(jié)構(gòu)，峰值功率放大電路依然采用普通C類功率放大器結(jié)構(gòu)。
[0028]EF類功率放大器為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)，其在E類放大器的基礎(chǔ)上，通過諧波控制，從而大大提高了效率。但在現(xiàn)有EF類功率放大器研究中，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常趨于理想化，試圖抑制所有諧波，也即將所有偶次諧波短路，所有奇次諧波開路，這大大提高了諧波網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)。為了，簡化諧波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，同時(shí)又能提升功放的效率和線性度，本發(fā)明提出一種E3F類功率放大器的諧波控制網(wǎng)絡(luò)。參見圖2，所示為本發(fā)明中載波功率放大電路中載波輸出匹配電路的結(jié)構(gòu)框圖，載波輸出匹配電路進(jìn)一步包括第一傳輸線TLl、第二傳輸線TL2、第三傳輸線TL3、第四傳輸線TL4、第五傳輸線TL5、第六傳輸線TL6、第七傳輸線TL7和第八傳輸線TL8，其中，第二傳輸線TL2和第三傳輸線TL3的長度為λ/8波長，第七傳輸線TL7的長度為λ/12的波長，第一傳輸線TLl的一端與載波功率放大器的輸出端相連接，第一傳輸線TLl的的另一端與第二傳輸線TL2的一端和第五傳輸線TL5以及第六傳輸線TL6的一端相連接，第五傳輸線TL5的另一端開路;第二傳輸線TL2的另一端與第三傳輸線TL3的一端和第四傳輸線TL4的一端相連接，第三傳輸線TL3的另一端和第四傳輸線TL4的另一端開路;第六傳輸線TL6的另一端與第七傳輸線TL7的一端和第八傳輸線TL8的一端相連接，第七傳輸線TL7的另一端和第八傳輸線TL8的另一端開路，其中，第四傳輸線TL4和和第八傳輸線TL8為扇形微帶線。
[0029]上述載波輸出匹配電路的原理為，利用四分之一波長阻抗變換原理，TL3這根終端開路的微帶線，其電長度為λ/8，那么對于所有的(4m-2)次諧波(其中m=l、2、3、、)則可認(rèn)為這些諧波都是四分之一波長的奇數(shù)倍，因此這些諧波都將被短路；同理，TL2這根微帶線其電長度也為λ/8，因其一端接著TL4這根扇形微帶線而在高頻處我們讓其工作于容性狀態(tài)，因此可認(rèn)為TL2的一端是接地的，那么對于(4m)次諧波(其中m=l、2、3、、)則可認(rèn)為這些諧波都是四分之一波長的偶數(shù)倍，因此這些諧波都將被短路，所有的偶次諧波都被短路了 ；對于TL7終端開路其電長度為λ/12，那么對于三次諧波來說其另一端是短路的，此時(shí)TL6相對于三次諧波就是終端短路的，因此只要讓TL6的電長度在O到λ/12之間相對于三次諧波就是感性的，TL5為終端開路的只要讓其電長度在O到λ/12之間取值那么相對于三次諧波就是容性的，所以只要根據(jù)具體的頻率使得TL5，TL6在三次諧波下有恰當(dāng)?shù)碾娙葜岛碗姼兄稻涂梢孕纬刹⒙?lián)諧振將三次諧波開路。因此整個(gè)諧波控制電路很好的將所有偶次諧波短路和三次諧波開路，實(shí)現(xiàn)了波形整形的目的，使得功放管輸出的電流波形近似為半正弦波，電壓波形近似為方波，從而極大地提高了功放的效率。
[0030]其中，第一傳輸線TL1、第四傳輸線TL4、第五傳輸線TL5、第六傳輸線TL6和第八傳輸線TL8的參數(shù)根據(jù)實(shí)際輸入信號參數(shù)調(diào)節(jié)。比如，可以根據(jù)實(shí)際輸入信號的頻率、帶寬等參數(shù)調(diào)節(jié)上述傳輸線的長度和阻抗。
[0031]在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，等分威爾金森功分器與峰值功率放大器之間設(shè)有50歐相位補(bǔ)償線。
[0032]在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，峰值功率放大器與負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)有50歐峰值補(bǔ)償線。
[0033]在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，載波功率放大器與負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)有50歐載波補(bǔ)償線。
[0034]在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，載波功率放大器和峰值功率放大器采用晶體管實(shí)現(xiàn)。
[0035]在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，負(fù)載阻抗為50歐。
[0036]本發(fā)明所提出的高線性高效率功率放大器可通過如下步驟設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn):
[0037]步驟一:調(diào)試一個(gè)新型的可以將所有偶次諧波短路，三次諧波開路，基波匹配到50歐的E3F類功率放大器作為載波功率放大器；
[0038]步驟二:調(diào)節(jié)載波功率放大器輸出端的補(bǔ)償線，使得載波功率放大器在低功率區(qū)達(dá)到一個(gè)高效率點(diǎn);所述的高效點(diǎn)為載波功率放大器飽和輸出時(shí)功率回退6dB的效率；
[0039]步驟三:調(diào)節(jié)一個(gè)普通的C類功率放大器并把它作為峰值功率放大器；
[0040]步驟四:調(diào)節(jié)峰值功率放大器輸出端的相位補(bǔ)償線，保證峰值功放在低功率輸入時(shí)輸出阻抗為無窮大；
[0041]步驟五:調(diào)節(jié)峰值功率放大器輸入端的相位補(bǔ)償線，保證載波功放與峰值功放的相位一致；
[0042]上述的載波功放與峰值功放的負(fù)載阻抗都是50歐。
[0043]參見圖3，所示為本發(fā)明高線性高效率功率放大器的實(shí)測效果圖，從圖3可以看出，相對于現(xiàn)有技術(shù)普通Doherty功率放大器，本發(fā)明高線性高效率功率放大器的效率得到顯者提尚。
[0044]以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說是顯而易見的，本申請中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本申請所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本申請所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高線性高效率功率放大器，其特征在于，包括等分威爾金森功分器、載波功率放大電路、峰值功率放大電路和負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)； 所述等分威爾金森功分器用于將輸入信號進(jìn)行功率等分后分別輸出給所述載波功率放大電路和峰值功率放大電路，所述載波功率放大電路的輸出端和所述峰值功率放大電路的輸出端共同與所述負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)相連接，經(jīng)所述負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)將功率輸出給負(fù)載； 所述載波功率放大電路包括依次串接的載波輸入匹配電路、載波功率放大器和載波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，所述載波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)相接;所述負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)包括特征阻抗為50歐，1/4波長的第一阻抗變換器Rl和特征阻抗為35歐，1/4波長的第二阻抗變換器R2;所述載波放大電路通過所述第一阻抗變換器Rl與所述峰值放大電路相連接，并經(jīng)所述第二阻抗變換器R2將功率輸出給負(fù)載； 所述的載波功率放大電路采用E3F類功率放大器結(jié)構(gòu)，所述峰值功率放大電路采用普通C類功率放大器結(jié)構(gòu)； 所述載波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一傳輸線TLl、第二傳輸線TL2、第三傳輸線TL3、第四傳輸線TL4、第五傳輸線TL5、第六傳輸線TL6、第七傳輸線TL7和第八傳輸線TL8，其中，所述第二傳輸線TL2和第三傳輸線TL3的長度為λ/8波長，所述第七傳輸線TL7的長度為λ/12的波長，所述第一傳輸線TLl的一端與載波功率放大器的輸出端相連接，所述第一傳輸線TLl的的另一端與所述第二傳輸線TL2的一端和所述第五傳輸線TL5以及第六傳輸線TL6的一端相連接，所述第五傳輸線TL5的另一端開路;所述第二傳輸線TL2的另一端與所述第三傳輸線TL3的一端和所述第四傳輸線TL4的一端相連接，所述第三傳輸線TL3的另一端和第四傳輸線TL4的另一端開路;所述第六傳輸線TL6的另一端與所述第七傳輸線TL7的一端和所述第八傳輸線TL8的一端相連接，所述第七傳輸線TL7的另一端和第八傳輸線TL8的另一端開路； 所述第四傳輸線TL4和和所述第八傳輸線TL8為扇形微帶線。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高線性高效率功率放大器，其特征在于，所述的等分威爾金森功分器與峰值功率放大器之間設(shè)有50歐相位補(bǔ)償線。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高線性高效率功率放大器，其特征在于，所述的峰值功率放大器與負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)有50歐峰值補(bǔ)償線。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高線性高效率功率放大器，其特征在于，所述的載波功率放大器與負(fù)載調(diào)制網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)有50歐載波補(bǔ)償線。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高線性高效率功率放大器，其特征在于，所述載波功率放大器和所述峰值功率放大器采用晶體管實(shí)現(xiàn)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高線性高效率功率放大器，其特征在于，所述第一傳輸線TL1、第四傳輸線TL4、第五傳輸線TL5、第六傳輸線TL6和第八傳輸線TL8的參數(shù)根據(jù)實(shí)際輸入信號參數(shù)調(diào)節(jié)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高線性高效率功率放大器，其特征在于，所述負(fù)載阻抗為50歐。
【文檔編號】H03F1/32GK105978495SQ201610398127
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】程知群, 軒雪飛, 劉國華, 李江舟, 張明, 趙子明, 涂琴
【申請人】杭州電子科技大學(xué)