功率放大裝置及功放電路的製作方法
2023-07-31 00:12:21
專利名稱：功率放大裝置及功放電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，尤其涉及通信領域的功率放大裝置及功放電路。
背景技術：
面對目前日益激烈的市場競爭，基站產品的效率高低已經成為行業競爭的焦點， 基站中決定效率的主要部件——功放效率的提升也成了重中之重，業界都紛紛投入進行效率提升技術的研究，目前最為廣泛應用的一種成熟技術就是Doherty技術，功放廠家都已開始批量生產應用Doherty功放，如何在該技術上進一步提高效率也顯得尤為重要。Doherty技術是由W. H. Doherty於1936年發明的，最初應用於行波管，為廣播提供大功率發射機，其架構簡單易行，效率高。傳統的Doherty結構由2個功放組成一個主功放，一個輔助功放，主功放工作在 B類或者AB類，輔助功放工作在C類。兩個功放不是輪流工作，而是主功放一直工作，輔助功放到設定的峰值才工作(這個功放也叫作Peak power amplifier)。主功放後面的90° 四分之一波長線是阻抗變換，目的是在輔助功放工作時，起到將主功放的視在阻抗減小的作用，保證輔助功放工作的時候和後面的電路組成的有源負載阻抗變低，這樣主功放輸出電流就變大。由於主功放後面有了四分之一波長線，為了使兩個功放輸出同相，在輔助功放前面也需要90°相移，如圖1所示。主功放工作在B類，當輸入信號比較小的時候，只有主功放處於工作狀態；當管子的輸出電壓達到峰值飽和點時，理論上的效率能達到78. 5%。如果這時候將激勵加大一倍， 那麼，管子在達到峰值的一半時就出現飽和了，效率也達到最大的78. 5%，此時輔助功放也開始與主放大器一起工作。輔助功放的引入，使得從主功放的角度看，負載減小了，因為輔助功放對負載的作用相當於串連了一個負阻抗，所以，即使主功放的輸出電壓飽和恆定，但輸出功率因為負載的減小卻持續增大(流過負載的電流變大了)。當達到激勵的峰值時，輔助功放也達到了自己效率的最大點，這樣兩個功放合在一起的效率就遠遠高於單個B類功放的效率。單個B類功放的最大效率78. 5%出現在峰值處，現在78. 5%的效率在峰值的一半就出現了，所以這種系統結構能達到很高的效率(每個放大器均達到最大的輸出效率)。由於基站系統對機頂輸出功率的要求，射頻功放一般增益需求都在幾十dB，這樣一級放大是不夠的，一般都需要3-4級放大，即預推動、推動、末級。目前業界普遍採用的鏈路結構為預推動採用射頻小信號放大器，工作模式為CLASS A ；推動和末級均採用同一類型射頻功放管(目前業界採用的是LDMOS器件)，推動的工作模式為CLASS AB，末級為 Doherty 結構。隨著業界綠色環保理念的提出，運營商對通訊系統的效率要求近乎苛刻，即使採用了先進的Doherty技術，功放效率也仍然無法滿足其日益提高的要求，因此必須在 Doherty技術的基礎上不斷改進，來實現效率的不斷提升。傳統的射頻功放中Doherty結構只應用於末級，而且推動級及末級均採用同一類型功放管，這樣的優點是供電電壓及偏置方式相同，因此偏置電路設計簡單；由於功放管為同類型，其批量生產的離散也相對容易控制。但一個不容忽視的現狀是業界主流的 LDMOS器件已經發展到第八代，其成本低廉，但性能的提升空間非常有限，已遠遠不能滿足綠色環保要求；另外，雖然功放的效率主要由末級確定，末級貢獻了 90%的工作電流，進一步提升效率意義重大，但推動級的10%也越發不可忽視，因此也需要在推動級進行電路改進。從目前通訊系統不同制式的信號功率譜分布來看，功放輸出的70% -80%的能量集中在平均功率附近，也就是說，採用Doherty技術的末級功放工作電流大部分由Carrier 放大器貢獻，因此，將末級的Carrier放大器的效率提高對整個功放的效率提升意義重大。 同時，在推動級部分也進一步提升效率，也能更好地實現整個功放的效率提升。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種功率放大裝置及功放電路，以解決功放效率無法滿足要求的問題。為解決以上技術問題，本發明提供了一種功率放大裝置，該裝置包括一個或多個串聯的推動級功放電路以及與最後一個推動級功放電路的輸出端連接的末級功放電路，所述推動級功放電路和末級功放電路均採用Doherty電路結構，所述推動級功放電路均採用橫向擴散金屬氧化物半導體場效應管(LDMOS)功放管實現Doherty電路結構的主(Carrier)放大器和輔助(Peak)放大器，所述末級功放電路高壓異質結雙極電晶體 (HVHBT)功效管實現Doherty電路結構的主(Carrier)放大器，採用高電子遷移率電晶體 (HEMT)功放管實現Doherty電路結構的輔助(Peak)放大器。為解決以上技術問題，本發明還提供了另一種功率放大裝置，該裝置包括一個或多個串聯的推動級功放電路以及與最後一個推動級功放電路的輸出端連接的末級功放電路，所述推動級功放電路和末級功放電路均採用Doherty電路結構，所述推動級功放電路和末級功放電路採用高壓異質結雙極電晶體(HVHBT)功效管實現Doherty電路結構的主 (Carrier)放大器，採用高電子遷移率電晶體(HEMT)功放管實現Doherty電路結構的輔助 (Peak)放大器。為解決以上技術問題，本發明提供了一種功率放大裝置的功放電路，所述功放電路採用Doherty電路結構，所述功放電路採用高壓異質結雙極電晶體(HVHBT)功效管實現 Doherty電路結構的主(Carrier)放大器，採用高電子遷移率電晶體(HEMT)功放管實現 Doherty電路結構的輔助(Peak)放大器。為解決以上技術問題，本發明提供了另一種功率放大裝置的功放電路，所述功放電路包括功率分配子電路；與所述功率分配子電路輸出端連接的主放大器，所述主放大器採用高壓異質結雙極電晶體(HVHBT)功放管實現主功放功能；至少一個與所述功率分配子電路輸出端連接的輔助放大器，所述輔助放大器採用高電子遷移率電晶體(HEMT)的功放管實現輔助功放功能；以及與所述主放大器、輔助放大器的輸出端連接的功率合成子電路。進一步地，所述功放電路是所述功率放大裝置的推動級或末級。
本發明功率放大裝置及功放電路採用Doherty技術，並給出了 Carrier放大器和 Peak放大器的全新組合，相比於現有技術，提升了功率放大的效率。
圖1為傳統的Doherty功率放大器框圖；圖2為Doherty電路結構的原理框圖；圖3為本發明實施例1的原理框圖；圖4為本發明實施例2的原理框圖；圖5為本發明實施例3的原理框圖；圖6為本發明實施例4的原理框圖。
具體實施例方式本發明功率放大裝置採用Doherty技術的末級功放中對Carrier放大器和Peak 放大器進行全新組合，採用新的組合架構來提升末級的Carrier放大器的效率；在推動級功放電路採用高效率的Doherty電路結構，從而提升功率放大裝置的效率。本發明功率放大裝置包括一個或多個串聯的推動級功放電路(Driver Stage Power Amplifier)，以及與最後一個推動級功放電路的輸出端連接的末級功放電路(Final Stage Power Amplifier)，特別地，本發明中，該推動級功放電路採用Doherty電路結構。具體地，如圖2所示，該Doherty電路結構包括功率分配子電路10、與所述功率分配子電路10輸出端連接的一個主放大器20和至少一個輔助放大器30，以及與所述主放大器、輔助放大器的輸出端連接的功率合成子電路40。可理解地，主放大器20，也稱Carrier (載波)放大器，提供主要的功率放大的功能，如持續提供功放。輔助放大器也稱Carrier (載波)放大器，提供輔助的功率放大功能， 比如僅在特定條件下(如達到預設峰值)工作。如圖1所示，功率分配子電路10包括功率分配、90度四分之一波長線、相位補償線等一系列功能器件，功率合成子電路40包括90度四分之一波長線、相位補償線、阻抗變換等一系列功能器件，器件的具體類型、型號和連接關係根據具體的實現需求，進行設計、選擇及匹配，本發明對此不做限定。主放大器和輔助放大器可以採用多種類型的功放管實現，優選地，均採用橫向擴散金屬氧化物半導體場效應管(LDMOS，Lateral double-diffused metal-oxide semiconductor)功放管；或者，主放大器採用高壓異質結雙極電晶體(HVHBT)功放管，輔助放大器採用高電子遷移率電晶體(HEMT)功放管實現輔助功放功能。現有技術中，末級功放電路也採用如圖2所示的Doherty結構電路實現，優選地， 採用高壓異質結雙極電晶體(HVHBT)功放管實現主功放功能，採用高電子遷移率電晶體 (HEMT)功放管實現輔助功放功能。下文中將結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。實施例1功率放大裝置實施例1如圖3所示，在該實施例1中，推動級採用兩路的Doherty 結構電路，且採用LDMOS功放管實現主功放功能及輔助功放功能，末級採用兩路的Doherty結構電路，且採用HVHBT功放管實現主功放功能，採用高電子遷移率電晶體(HEMT)功放管實現輔助功放功能。具體地，推動級放大部分採用Doherty電路結構實現，其Carrier放大器和Peak 放大器均使用 LDMO S (Lateral double-diffused metal-oxide semiconductor，橫向擴散金屬氧化物半導體場效應管，基於Si)功放管；在推動級採用Doherty電路的同時在末級也採用全新組合的兩路Doherty電路結構實現。對於末級兩路結構的Doherty (含傳統的兩路對稱DohertyJR^I Doherty等) 以及在此基礎上演變的一個Carrier加一個Peak的架構，通過採用HVHBT (High Voltage Heterojunction Bipolar ^Transistor，高壓異質結雙極電晶體，基於GaAs)功放管來作為 Carrier 放大器，採用 HEMT (HEMT，High Electron Mobility Transistor，高電子遷移率電晶體，基於氮化鎵(GaN))功放管來作為Peak放大器以實現效率的最大提升。實施例2功率放大裝置實施例2如圖4所示，在該實施例2中，推動級採用兩路的Doherty 結構電路，且採用LDMOS功放管實現主功放功能及輔助功放功能，末級採用兩路的Doherty 結構電路，且採用HVHBT功放管實現主功放功能，採用高電子遷移率電晶體(HEMT)功放管實現輔助功放功能。具體地，推動級放大部分採用Doherty電路結構實現，其Carrier放大器和Peak 放大器均使用 LDMOS (Lateral double-diffused metal-oxide semiconductor，橫向擴散金屬氧化物半導體場效應管，基於Si)功放管；在推動級採用Doherty電路的同時在末級也採用全新組合的多路Doherty電路結構實現。對於末級的多路結構的Doherty以及在此基礎上演變的一個Carrier加多個Peak 的架構，通過採用HVHBT功放管來作為Carrier放大器，用HEMT功放管來作為多個Peak放大器以實現效率提升。實施例3功率放大裝置的實施例3如圖5所示，在該實施例3與實施例1的電路結構相同， 不同之處在於，推動級採用 HVHBT(High Voltage Heterojunction Bipolar Transistor, 高壓異質結雙極電晶體，基於GaAs)功放管來作為Carrier放大器，採用HEMT (HEMT，High Electron Mobility ^Transistor，高電子遷移率電晶體，基於氮化鎵(GaN))功放管來作為 Peak放大器；實施例4功率放大裝置的實施例4如圖6所示，在該實施例4與實施例2的電路結構相同， 不同之處在於，推動級採用 HVHBT(High Voltage Heterojunction Bipolar Transistor, 高壓異質結雙極電晶體，基於GaAs)功放管來作為Carrier放大器，採用HEMT (HEMT，High Electron Mobility ^Transistor，高電子遷移率電晶體，基於氮化鎵(GaN))功放管來作為 Peak放大器；該發明的關鍵點為推動級採用了高效率的Doherty電路結構，實現推動級效率的提升；同時推動級或末級也採用了突破性的全新組合方式，充分利用HVHBT功放管效率較高的優勢，將其作為Carrier放大器來提高效率，並利用HEMT功放管效率也較高且器件種類相對齊全的優勢，將其作為Peak放大器來實現性能最優。採用本發明所述方法和裝置，與現有的推動級採用CLASS AB模式，末級Carrier、 Peak放大器均採用LDMOS的Doherty功放相比，整個功放效率可大幅提升；LDMOS器件發展非常成熟，中功率器件種類齊全，成本低廉。推動採用LDMOS器件 +Doherty結構，既提升了效率，又保證了成本；由於目前HVHBT的產品種類單一(只有1-2款)，無法實現基站產品多樣化的功率等級需求；而HEMT功放管產品發展相對成熟，各廠家產品相對齊全，因此，本發明所述方法和裝置中的末級功放部分可根據不同功率等級採用不同型號的HEMT功放管產品來作為Peak放大器，與採用HVHBT功放管的Carrier放大器靈活組合，並根據需要採用不同 Doherty結構(對稱、非對稱、多路等)來實現，這樣既保證了性能最優，又保證了使用的便利性、靈活性。實現本發明功率放大裝置的具體實施步驟包括1、根據不同的實現需求，先確定末級Carrier放大器所用的HVHBT功放管型號；2、根據不同的實現需求，對比分析確定採用的Doherty結構；3、根據不同的實現需求，確定出末級Peak放大器所用的HEMT功放管型號；4、根據末級增益，確定出推動級Carrier放大器所用的HVHBT功放管或LDMOS功放管的型號、Peak放大器所用HEMT功放管或LDMOS功放管的型號；5、完成末級、推動級放大管的匹配設計以及框圖中的功率分配、功率合成部分的設計；6、完成本發明所述裝置的其餘部分設計。例如針對2. IGHz UMTS系統應用(PAR :6dB)的55W Doherty功放設計，需要用到兩隻功放管合計至少200W以上的飽和功率。結合功放管廠家現有器件，可採用兩個120W的LDMOS 功放管通過對稱Doherty結構實現，按照業界目前的器件水平，其單末級功放效率約52 % 左右；而採用基於本發明的方法實現(Carrier放大器用HVHBT 120W功放管，Peak放大器用120W的HEMT功放管)，其單末級功放效率約58%左右，提高近12%。對於Doherty推動設計，由於末級至少要採用200W以上的飽和功率，目前2. IGHz 的末級功放Doherty增益在16dB左右，因此，推動級可採用兩個IOW的LDMOS功放管來實現Doherty推動級放大部分設計，這樣，比原來的CLASS AB設計，推動級效率還能提升20% 左右(如採用CLASS AB設計推動級的效率在15%，採用Doherty設計則可達到18% )。因此，採用本發明所述的方法及裝置，在保證成本的前提下，效率將大幅提升。本發明還提供了一種功率放大裝置的推動級功放電路，所述推動級功放電路採用Doherty電路結構，所述推動級功放電路採用橫向擴散金屬氧化物半導體場效應管 (LDMOS)功放管實現Doherty電路結構的主(Carrier)放大器和輔助(Peak)放大器。另外，本發明還提供了一種功率放大裝置的功放電路，所述功放電路採用Doherty 電路結構，採用HVHBT功效管實現Doherty電路結構的主(Carrier)放大器，採用高電子遷移率電晶體(HEMT)功放管實現Doherty電路結構的輔助(Peak)放大器。具體地，所述功放電路是所述功率放大裝置的推動級或末級，包括
功率分配子電路；與所述功率分配子電路輸出端連接的主放大器，所述主放大器採用基於HVHBT功放管實現主功放功能；至少一個與所述功率分配子電路輸出端連接的輔助放大器，所述輔助放大器採用高電子遷移率電晶體(HEMT)功放管實現輔助功放功能；以及與所述主放大器、輔助放大器的輸出端連接的功率合成子電路。綜上所述，本發明的實現簡單，設計及調試方便、靈活且成本低廉，同一技術領域的技術人員按照本說明書能夠很容易地實現。在Doherty功放的工作頻帶範圍內可使其效率指標顯著提升，本裝置可廣泛的應用於各種Doherty功率放大器的設計中。本發明的目的就是通過在採用Doherty技術的末級功放中對Carrier放大器和 Peak放大器進行全新組合，採用新的組合架構來提升末級的Carrier放大器的效率；在推動級採用高效率電路結構，從兩個方面來實現整個Doherty功放效率的大幅提升。
權利要求
1.一種功率放大裝置，該裝置包括一個或多個串聯的推動級功放電路以及與最後一個推動級功放電路的輸出端連接的末級功放電路，其特徵在於所述推動級功放電路和末級功放電路均採用Doherty電路結構，所述推動級功放電路均採用橫向擴散金屬氧化物半導體場效應管(LDMOS)功放管實現Doherty電路結構的主(Carrier)放大器和輔助(Peak) 放大器，所述末級功放電路高壓異質結雙極電晶體(HVHBT)功效管實現Doherty電路結構的主(Carrier)放大器，採用高電子遷移率電晶體(HEMT)功放管實現Doherty電路結構的輔助(Peak)放大器。
2.—種功率放大裝置，該裝置包括一個或多個串聯的推動級功放電路以及與最後一個推動級功放電路的輸出端連接的末級功放電路，其特徵在於所述推動級功放電路和末級功放電路均採用Doherty電路結構，所述推動級功放電路和末級功放電路採用高壓異質結雙極電晶體(HVHBT)功效管實現Doherty電路結構的主(Carrier)放大器，採用高電子遷移率電晶體(HEMT)功放管實現Doherty電路結構的輔助(Peak)放大器。
3.—種功率放大裝置的功放電路，所述功放電路採用Doherty電路結構，其特徵在於所述功放電路採用高壓異質結雙極電晶體(HVHBT)功效管實現Doherty電路結構的主 (Carrier)放大器，採用高電子遷移率電晶體(HEMT)功放管實現Doherty電路結構的輔助 (Peak)放大器。
4.如權利要求3所述的功放電路，其特徵在於所述功放電路是所述功率放大裝置的推動級或末級。
5.一種功率放大裝置的功放電路，其特徵在於，所述功放電路包括功率分配子電路；與所述功率分配子電路輸出端連接的主放大器，所述主放大器採用高壓異質結雙極電晶體(HVHBT)功放管實現主功放功能；至少一個與所述功率分配子電路輸出端連接的輔助放大器，所述輔助放大器採用高電子遷移率電晶體(HEMT)的功放管實現輔助功放功能；以及與所述主放大器、輔助放大器的輸出端連接的功率合成子電路。
6.如權利要求5所述的功放電路，其特徵在於所述功放電路是所述功率放大裝置的推動級或末級。
全文摘要
本發明涉及一種功率放大裝置及功放電路，所述功放電路採用Doherty電路結構，所述功放電路採用高壓異質結雙極電晶體(HVHBT)功效管實現Doherty電路結構的主(Carrier)放大器，採用高電子遷移率電晶體(HEMT)功放管實現Doherty電路結構的輔助(Peak)放大器。本發明功率放大裝置及功放電路提高了功率放大的效率。
文檔編號H03F3/20GK102185565SQ20111011140
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月29日 優先權日2011年4月29日
發明者劉建利, 崔曉俊, 陳化璋 申請人:中興通訊股份有限公司