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基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器制造技术

技术编号:17038821 阅读:64 留言:0更新日期:2018-01-13 23:11
本实用新型专利技术提出一种基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器,包括:双频功率分配器、主功放双频输入匹配网络、辅功放双频输入匹配网络、主功放管、辅功放管、主功放双频输出匹配网络、辅功放双频输出匹配网络和双频后匹配网络,其中,双频功率分配器通过第一预设长度的第一单频传输线与主功放双频输入匹配网络相连,主功放双频输出匹配网络通过第二预设长度的第二单频传输线与双频后匹配网络相连,辅功放双频输出匹配网络分别通过第三预设长度的第三单频传输线与双频后匹配网络相连。本实用新型专利技术采用普通单频传输线实现双频相移功能,克服了传统双频传输线在毫米波频段存在的尺寸大、损耗高、带宽窄的问题,大大提高了双频相移线的性能。

Millimeter wave dual frequency Doherty power amplifier based on single frequency line

The utility model provides a millimeter wave dual band Doherty power amplifier based on single frequency line includes: dual band power divider, the main amplifier frequency input matching network, auxiliary power amplifier dual band matching network, the main power amplifier tube, auxiliary power tube, matching network, the auxiliary amplifier frequency output matching network and after dual band matching network, the main power amplifier output frequency input the dual band power divider input and main amplifier frequency through the first single frequency transmission line first preset length, is connected to a network, the main power amplifier dual frequency output matching network through second preset length of the second single frequent transmission line with double frequency matching network connected to the auxiliary amplifier frequency output matching network respectively through third preset length third single frequency transmission in line with the dual frequency matching network is connected. The utility model adopts the ordinary single frequency transmission line to realize dual frequency phase shift function, to overcome the traditional dual frequency millimeter wave transmission line in the presence of large size, high loss, narrow bandwidth, greatly improves the performance of the dual frequency phase line.

【技术实现步骤摘要】
基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器
本技术涉及移动通信
,特别涉及一种基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器。
技术介绍
在现代通信系统中,频率资源是最为稀缺的资源之一,为了提高频谱利用率,往往使用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交频分复用技术)、CDMA(CodeDivisionMultipleAccess,码分多址技术)等现代调制方式。然而,这些现代调制方式在提高频谱利用率的同时,也带来了高峰均比PAPR(PeaktoAveragePowerRatio,峰值平均功率比)的问题。这种高PAPR对射频前端,尤其是射频功率放大器的设计带来了困难,尤其是对功率放大器的效率指标带来了不利的影响。传统的AB类线性功率放大器在饱和功率附近有较高的效率,而当输出功率降低时,其效率急剧下降。由于在高PAPR下功率放大器大部分时间工作在回退功率区,使得AB类功率放大器的效率远远低于起饱和效率。可以说,高PAPR是现代通信系统中使用的功率放大器必须要应对的困难之一。另一方面,随着通信技术的发展,有越来越多的3G/4G/5G通信系统被标准化并投入运营,这些通信系统被分配在广阔的频段上。在这种背景下,当今同一个运营商同时在多个频段上运营多个不同模式的通信系统成为一种常态。双频功放由于可以工作在两个相距较远的通信频段,可以大大降低射频前端的复杂度,受到了设备制造商和运营商的广泛关注。在目前的4G基站中,双频功放已经得到实际应用,展现出巨大的优势。由于6GHz以下通信频段已经拥挤不堪,在未来的5G通信中,为了大幅提高通信速率,毫米波频段将会被采用。国际电联(ITU)在2015年举行的世界无线电通信大会(WRC-15)上,初步拟定了全球可行频率列表,包括24.25-27.5GHz、31.8-33.4GHz、37-40.5GHz等频段。美国联邦通信委员会(FCC)开放了28GHz、37GHz、39GHz和64-71GHz毫米波频段,并将其纳入5G标准中。可见,在5G通信中将会有多个毫米波频段被采用,客观上提出了对双频甚至多频毫米波功放的需求。综上,高PAPR和多个毫米波工作频段,将会是5G通信基站中功率放大器设计的难点和重点之一。其中为了在高PAPR环境下保持高效率,有多种技术方案可供选择,例如Doherty技术、包络跟踪技术、序列功率放大器技术等,这些技术在公知文献1(RFPowerAmplifiersforWirelessCommunications,2ndEdition,SteveC.Cripps)与公知文献2(AdvancedTechniquesinRFPowerAmplifierDesign,SteveC.Cripps)中有详细的论述,在这里不再重复。在这些技术中,Doherty技术由于其结构简单,效率高,可以与传统功率放大器原位替换等优点,成为在通信基站中应用最为广泛的高效率功率放大器技术。例如图1所示,展示了传统Doherty功率放大器的结构,其中包含两只功放管,即主功放管Main和辅功放管Aux,通常其中Main偏置为AB类,Aux则偏置为C类。在输出端,主功放输出匹配网络OMN_Main和辅功放输出匹配网络OMN_Aux分别负责两只功放管的输出阻抗匹配。后匹配网络PMN将50欧姆负载匹配为25欧姆。Offset_Main和Offset_Aux是特性阻抗为50欧姆的相移线,负责回退功率下的阻抗匹配。在输入端,二分配器SPLIT将输入功率分为两路,主功放输入匹配网络IMN_Main和辅功放输入匹配网络IMN_Aux分别将Main和Aux的输入阻抗匹配到50欧姆,并由相移线Phaseline补偿主路和辅路的相位差。传统Doherty功率放大器的工作原理可以分为低功率区和高功率区两个区域分析,两个区域以C类辅功放管开启为界。在低功率区,辅功放管处于截止状态,Doherty结构要求Offset_Aux合理设计,使得Z2B尽可能接近开路。由于为开路,此时Z1T=25欧姆,Doherty结构要求Offset_Main和OMN_Main结合可以将25欧姆变换为尽可能接近ZBO的阻抗Z1,其中ZBO为使得Main在回退功率下取得最大效率的负载阻抗,可以通过Loadpull方法得到。综上,由于在低功率区有Z2B为开路,因此Aux的输出电路与Main的输出电路隔离,等效电路如图2所示。在高功率区,随着Aux的开启,由于Aux输出信号对Main输出信号的牵引作用,Z1T和Z2T逐渐发生变化,这就是所谓的有源负载牵引作用。在饱和点,这种牵引作用的效果达到最大,此时Doherty功放的工作状态如图3所示。如图3所示,在饱和点,Z1T和Z2T相等,均为50欧姆,而Doherty结构要求OMN_Main和OMN_Aux都可以将50欧姆的负载阻抗分别变换为Z1=Z2=ZSat。其中ZSat为使得功放管在饱和功率下可达到最大效率的负载阻抗,也可以由Loadpull方法得到。由于Offset_Main和Offset_Aux的特性阻抗为50欧姆,所以它们对OMN_Main和OMN_Aux的匹配效果没有影响。由于Aux的阻抗牵引作用,Main在低功率区和高功率区可具有不同的负载阻抗,通过合理的设计OMN_Main和OMN_Aux,以及Offset_Main和Offset_Aux这两段相移线,可使得Main在低功率区和饱和点都具有高效率。与普通AB类功放相比,Doherty功放大大提升了高PAPR激励下的效率。为了设计出双频Doherty功放,不仅要求主辅功放的输入输出匹配网络为双频匹配网络,还要求相移线为双频相移线,即在两个设计频率上都可以产生所需的相移,同时保持50Ohm的特性阻抗。在目前的双频Doherty设计中,常采用如图4所示的双频线,从左到右依次为π型结构、T型结构、耦合线。这些结构虽然可以实现双频相移的效果,但通常尺寸较大,线宽可能会不合理,而且带宽很窄,这些问题限制了它们在毫米波频段的应用。由于很强的分布参数效应,毫米波功放必须用集成电路工艺实现,较大的双频线尺寸意味着较大的芯片面积,大大增加了加工成本。另外,在毫米波频段无源元件的损耗较大,如果双频线尺寸很大,其引入的损耗会严重降低功放的性能,当线宽不合理时影响会更明显。集成电路工艺通常存在加工误差,双频线带宽过窄会导致实际的双频相移严重偏离设计值,使得实际加工出来的双频Doherty功放实现不了双频性能。因此,毫米波双频Doherty功放的实现难点在于高性能双频相移线的实现,随着5G通信进程的加快,这个问题亟待解决。
技术实现思路
本技术旨在至少解决上述技术问题之一。为此,本技术的目的在于提出一种基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器,采用普通单频传输线实现双频相移功能,克服了传统双频传输线在毫米波频段存在的尺寸大、损耗高、带宽窄的问题,可以大大提高双频相移线的性能。为了实现上述目的,本技术提出了一种基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器,包括:双频功率分配器、主功放双频输入匹配网络、辅功放双频输入匹配网络、主功放管、辅功放管、主功放双频输出匹配网络、辅功放本文档来自技高网
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基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器

【技术保护点】
一种基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器,其特征在于,包括:双频功率分配器、主功放双频输入匹配网络、辅功放双频输入匹配网络、主功放管、辅功放管、主功放双频输出匹配网络、辅功放双频输出匹配网络和双频后匹配网络,其中,所述双频功率分配器、主功放双频输入匹配网络、主功放管、主功放双频输出匹配网络和双频后匹配网络依次相连;所述双频功率分配器、辅功放双频输入匹配网络、辅功放管、辅功放双频输出匹配网络和双频后匹配网络依次相连;所述双频功率分配器通过第一预设长度的第一单频传输线与所述主功放双频输入匹配网络相连,所述主功放双频输出匹配网络通过第二预设长度的第二单频传输线与所述双频后匹配网络相连,所述辅功放双频输出匹配网络通过第三预设长度的第三单频传输线与所述双频后匹配网络相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器,其特征在于,包括:双频功率分配器、主功放双频输入匹配网络、辅功放双频输入匹配网络、主功放管、辅功放管、主功放双频输出匹配网络、辅功放双频输出匹配网络和双频后匹配网络,其中,所述双频功率分配器、主功放双频输入匹配网络、主功放管、主功放双频输出匹配网络和双频后匹配网络依次相连;所述双频功率分配器、辅功放双频输入匹配网络、辅功放管、辅功放双频输出匹配网络和双频后匹配网络依次相连;所述双频功率分配器通过第一预设长度的第一单频传输线与所述主功放双频输入匹配网络相连,所述主功放双频输出匹配网络通过第二预设长度的第二单频传输线与所述双频后匹配网络相连,所述辅功放双频输出匹配网络通过第三预设长度的第三单频传输线与所述双频后匹配网络相连。2.根据权利要求1所述的基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器,其特征在于,所述双频功率分配器在第一设计频率f1和第二设计频率f2处将输入功率合理分配到主功放和辅功放,其中,所述第一设计频率f1小于所述第二设计频率f2。3.根据权利要求2所述的基于单频线的毫米波双频Doherty功率放大器,其特征在于,当工作在所述第一设计频率f1时,得到第一单频传输线对应的相移ThetaP1、第二单频传输线对应的相移ThetaM1和第三单频传输线对应的相移ThetaA1,其中,所述ThetaM1在具有第一预设取值范围;当工作在所述第二设计频率f2时,得到第一单频传输线对应...

【专利技术属性】
技术研发人员:吕关胜陈文华
申请(专利权)人:清华大学
类型:新型
国别省市:北京,11

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