[发明专利]一种高效率高增益Doherty堆叠功率放大器

说明书

技术领域

本发明属于场效应晶体管微波射频功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种高效率高增益Doherty堆叠功率放大器的设计。

背景技术

随着3G、4G-LTE等民用通信市场的快速发展，以及5G通信的前期布局，射频前端发射器也向毫米波段的高性能、高集成、高效率的方向发展。因此市场迫切的需求高效率、高增益、低成本的毫米波Doherty功率放大器芯片。

然而，在毫米波Doherty功率放大器芯片设计中，一直存在一些设计难题，主要体现在：

(1)毫米波高功率容量指标设计难度较大：由于未来5G市场的驱使，射频前端发射机迫切需要工作在毫米波段的高增益、高功率、高效率的Doherty放大器，但是现有的毫米波频段的应用电路必须采用栅长较小、特征频率较高的半导体工艺晶体管，受到其低击穿电压的影响，功率放大器的电压摆幅将受到较大的限制，因此也就限制了功率晶体管的功率容量。

(2)毫米波段高功率晶体管寄生参数严重影响电路指标：在毫米波段，传统共源放大结构的毫米波Doherty放大器最大可用增益、效率、输出功率等受到大功率晶体管寄生参数影响，恶化较严重。这是因为毫米波频段下，采用有源负载调制原理的Doherty放大器对于寄生参数和阻抗设计十分敏感。

常见的射频Doherty功率放大器的电路结构有很多，但是受上述因素制约下，应用于毫米波段的结构比较少。最典型的毫米波段Doherty功率放大器是共源放大器单元作为主功率和辅助功率放大器，但是，典型共源放大器单元仍然存在一些设计不足，主要体现在：

(1)高增益与高功率容量指标设计难度较大。

为了提高输出功率，设计者往往需要采用较大尺寸的晶体管或者是2ⁿ倍的功率合成结构来提高电流摆幅，但是大尺寸晶体管和2ⁿ倍的功率合成结构具有较低的功率增益。因此，高增益与高功率容量指标相互制约问题在毫米波段Doherty放大器中更加突出。此外，为了实现较高的增益，毫米波Doherty放大器往往采用双级电路结构，这将增加电路设计复杂度，同时增大芯片电路面积，提升电路设计成本。

(2)毫米波段高功率晶体管阻抗匹配难度较大。

由于放大器工作在毫米波段，单个晶体管的功率容量有限，设计者为了获得较高的功率容量，往往需要2ⁿ倍的功率合成结构，这种结构往往导致输出网络具有很低的最佳负载阻抗，这种低负载阻抗又将导致毫米波段Doherty放大器的有源负载调制网络的设计和匹配难度加大。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效率高增益Doherty堆叠功率放大器，利用三晶体管堆叠技术和与之对应的输入与输出匹配网络，实现毫米波频段高增益、高线性度、高效率、芯片面积小且成本低等优点。

本发明的技术方案为：一种高效率高增益Doherty堆叠功率放大器，包括输入匹配及移相分配网络、三堆叠主功率放大网络、三堆叠辅助功率放大网络、输出匹配及移相合成网络、主功放供电偏置网络以及辅助功放供电偏置网络。

输入匹配及移相分配网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一输出端与三堆叠主功率放大网络的输入端连接，其第二输出端与三堆叠辅助功率放大网络的输入端连接。

输出匹配及移相合成网络的输出端为整个功率放大器的输出端，其第一输入端与三堆叠主功率放大网络的输出端连接，其第二输入端与三堆叠辅助功率放大网络的输出端连接。

主功放供电偏置网络分别与输入匹配及移相分配网络、三堆叠主功率放大网络以及输出匹配及移相合成网络连接；辅助功放供电偏置网络分别与输入匹配及移相分配网络、三堆叠辅助功率放大网络以及输出匹配及移相合成网络连接。

本发明的有益效果是：本发明采用三堆叠主功率放大网络和三堆叠辅助功率放大网络实现Doherty放大器的优势，在毫米波段获得高增益，高效率、高功率的特性，同时电路结构占用很小的面积。