[发明专利]基于晶体管堆叠结构的非对称Doherty功率放大器

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及微波功率放大器及集成电路技术领域，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。

背景技术

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(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用技术)、CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)等复杂的调制方式，带来了PAPR(Peak to Average Power Ratio，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。

发明内容

本申请是基于发明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(α1)。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)。