基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器，包括：功分器；主功放采用共源结构，以进行功率放大；辅功放的输入端与功分器第一输出端相连，其中，辅功放包括第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管的源极与第二晶体管的漏极相连成堆叠结构，以增加功率放大器的增益；变压器输第一输入端与主功放的输出端相连，以将主功放和辅功放的输出功率进行电压合成。该功率放大器的辅功放采用晶体管堆叠结构，输出网络采用电压合成，有效提高了功率放大器在毫米波频段的增益、带宽及效率，有助于实现高性能的毫米波非对称Doherty功放。

【技术实现步骤摘要】
基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器
本专利技术涉及微波功率放大器及集成电路
，特别涉及一种基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器。
技术介绍
为了进一步提高通信速率，5G通信中引入了毫米波频谱，功率放大器是收发机中的主要耗能单元，提高毫米波功放的效率，对降低整个5G通信系统的功耗至关重要。现代通信信号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)等复杂的调制方式，带来了PAPR(PeaktoAveragePowerRatio，高峰均比)的问题。这种高PAPR给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。提高回退效率的方案有多种，包括Doherty技术、包络跟踪技术(ET)、Outphasing技术等。其中，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。对称Doherty结构只能实现6dB的回退，为了在更宽的回退区域内实现高效率，需要采用非对称Doherty结构，即辅功放的输出功率比主功放高。然而，相关技术的非对称Doherty结构辅功放增益低，降低了Doherty的整体增益及效率，阻抗变换比高，导致Doherty带宽及效率受限，且在毫米波频段存在的增益低、带宽及效率受限的问题。
技术实现思路
本申请是基于专利技术人对以下问题的认识和发现作出的：如图1所示，非对称Doherty功率放大器的传统结构，其中包含两路功放，即主功放Main和辅功放Aux，其中Main偏置为AB类，Aux则偏置为C类，主功放输出功率为P，辅功放输出功率是主功放的α倍(α>1)。图中Ro是主功放的最佳负载阻抗。后匹配网络PMN(PostMatchingNetwork，后匹配网络)将50Ω负载匹配为Ro/(α+1)。TL_M是特性阻抗为Ro的四分之一波长线，负责回退功率下的阻抗匹配。TL_A是特性阻抗为50Ω的四分之一波长线，负责相位补偿，保证主辅功放的功率能够同相合成。功分器SPLIT将输入功率分为两路，分别由主功放和辅功放放大。主辅功放均采用共源放大器结构，为了实现α倍的功率比，理论上辅功放的晶体管栅宽应为主功放的α倍，则辅功放最佳负载为Ro/α。非对称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类辅功放开启为界。在低功率区，辅功放处于截止状态，输出阻抗呈现开路，TL_M将Ro/(α+1)变换为(α+1)Ro，即此时Z1＝(α+1)Ro，则主功放首次达到饱和时的输出功率为P/(α+1)。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，Z1和Z2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Z1＝Ro，Z2＝Ro/α，Doherty的输出功率达到最大值(1+α)P。因此，非对称Doherty能够实现的功率回退为20lg(1+α)(单位：dB)。传统结构的非对称Doherty功率放大器在低频段应用较多，但是在毫米波频段，基于集成电路工艺实现时，会有明显的不足，主要体现在：(1)辅功放增益低，降低了Doherty的整体增益及效率由于芯片工艺有限的fmax(最大振荡频率)，晶体管尺寸增大时，增益下降明显。在非对称Doherty中，辅功放晶体管尺寸比主功放大，而且偏置在C类，因此其增益比主功放低得多，这会严重恶化Doherty在饱和区的功率、效率及线性度等指标。通常的解决办法是采用非对称功分器，给辅功放分配更多的功率，但是会导致Doherty整体增益的下降。如果采用驱动放大器提升增益，则会增加芯片面积，降低整体效率。(2)阻抗变换比高，导致Doherty带宽及效率受限应用于毫米波频段的集成电路工艺中，晶体管的击穿电压较低，因此主功放最佳负载阻抗Ro较小。在非对称Doherty中，α>1，后匹配网络PMN将50Ω变换为Ro/(α+1)，阻抗变换比很高，严重限制了匹配带宽，同时增加了匹配损耗。另外，在回退区，TL_M的阻抗变化比高达(α+1)2，因此只能在很窄的带宽内保持高回退效率。在这两个因素的影响下，传统结构的非对称Doherty功放的带宽及效率很受限。本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器，该功率放大器有效提高了功率放大器在毫米波频段的增益、实现高性能的毫米波非对称Doherty功放。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器，包括：功分器；主功放，所述主功放采用共源结构，以进行功率放大；辅功放，所述辅功放的输入端与所述功分器第一输出端相连，其中，所述辅功放包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极相连成堆叠结构，以增加功率放大器的增益；变压器，所述变压器输第一输入端与所述主功放的输出端相连，以将所述主功放和所述辅功放的输出功率进行电压合成。本专利技术实施例的基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器，辅功放采用晶体管堆叠结构，输出网络采用电压合成，克服了非对称Doherty功率放大器在毫米波频段存在的增益低、带宽及效率受限的问题，从而有效提高了功率放大器在毫米波频段的增益、带宽及效率，有助于实现高性能的毫米波非对称Doherty功放。另外，根据本专利技术上述实施例的基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述辅功放进一步包括：输入匹配电路，所述输入匹配电路的一端与所述辅功放的输入端相连，所述输入匹配电路的另一端与所述第一晶体管栅极相连；第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与所述第一晶体管的栅极电压源相连，所述第一电阻的另一端与所述第一晶体管的栅极和所述输入匹配电路的另一端相连，所述第二电阻的一端与所述第二晶体管的栅极电压源相连；电感，所述电感的一端与所述第二晶体管的漏极电压源相连，所述电感的另一端与所述第二晶体管的漏极相连，其中，所述电感用于谐振掉所述第二晶体管的输出电容；第一电容和第二电容，所述第一电容的正极与所述第二晶体管的栅极和所述第二电阻的一端相连，所述第一电容的负极接地，所述第二电容的正极与所述电感的另一端和所述第二晶体管的漏极相连，所述第二电容的负极与所述辅功放的输出端相连，其中，所述第一电容用于调整所述第一晶体管和所述第二晶体管的电压分布。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：第一四分之一波长传输线，所述第一四分之一波长传输线的一端与所述功分器第二输出端相连，所述第一四分之一波长传输线的另一端与所述主功放的输入端相连；第二四分之一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器，其特征在于，包括：功分器；主功放，所述主功放采用共源结构，以进行功率放大；辅功放，所述辅功放的输入端与所述功分器第一输出端相连，其中，所述辅功放包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极相连成堆叠结构，以增加功率放大器的增益；以及变压器，所述变压器输第一输入端与所述主功放的输出端相连，以将所述主功放和所述辅功放的输出功率进行电压合成。

【技术特征摘要】
1.一种基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器，其特征在于，包括：功分器；主功放，所述主功放采用共源结构，以进行功率放大；辅功放，所述辅功放的输入端与所述功分器第一输出端相连，其中，所述辅功放包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极相连成堆叠结构，以增加功率放大器的增益；以及变压器，所述变压器输第一输入端与所述主功放的输出端相连，以将所述主功放和所述辅功放的输出功率进行电压合成。2.根据权利要求1所述的基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器，其特征在于，所述辅功放进一步包括：输入匹配电路，所述输入匹配电路的一端与所述辅功放的输入端相连，所述输入匹配电路的另一端与所述第一晶体管栅极相连；第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与所述第一晶体管的栅极电压源相连，所述第一电阻的另一端与所述第一晶体管的栅极和所述输入匹配电路的另一端相连，所述第二电阻的一端与所述第二晶体管的栅极电压源相连；电感，所述电感的一端与所述第二晶体管的漏极电压源相连，所述电感的另一端与所述第二晶体管的漏极相连，其中，所述电感用于谐振掉所述第二晶体管的输出电容；第一电容和第二电容，所述第一电容的正极与所述第二晶体管的栅极和所述第二电阻的一端相连，所述第一电容的负极接地，所述第二电容的正极与所述电感的另一端和所述第二晶体管的漏极相连，所述第二电容的负极与所述辅功放的输出端相连，其中，所述第一电容用于调整所述第一晶体管和所述第二晶体管的电压分布。3.根据权利要求1所述的基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器，其特征在于，还包括：第一四分...

【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：发明
国别省市：北京,11