[发明专利]一种集成双频Doherty功率放大器、基站和移动终端

说明书

本发明公开一种集成双频Doherty功率放大器、基站和移动终端，其中Doherty功率放大器的主功放支路包括主功放双频输入匹配网络和主功放晶体管，辅功放支路包括辅功放双频输入匹配网络和辅功放晶体管，辅功放晶体管漏极连接有双频后匹配网络。主功放晶体管的漏极和辅功放晶体管的漏极之间的集总参数双频线由T型双频电感网络组成。本发明比传统的集成Doherty功率放大器可覆盖的频段更多，有利于减小通信系统的尺寸和成本，与其他双频集成Doherty功率放大器相比，在每个工作频段可以实现更宽的带宽和更高的效率，本发明主辅支路在两个频段相位差均为90度，便于双频相位补偿的实现。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于双频电感的集成双频Doherty功率放大器、基站和移动终端。

背景技术

功率放大器是基站中的主要耗能单元，提高功放的效率对降低整个基站的功耗至关重要。由于采用了正交频分复用（OFDM）等复杂的调制方式，现代通信信号的峰均比（PAPR）很高，基站发射机普遍采用Doherty功率放大器（Doherty Power Amplifier，DPA）提升回退效率，进而提高平均效率。

DPA由class-AB偏置的主功放和class-C偏置的辅功放构成，它的工作原理如图1所示，其中R_opt表示主功放的最佳负载阻抗。假设主功放的最大输出功率为P，辅功放和主功放的最大输出功率相同。在低功率（LP）区，只有主功放工作，辅功放输出端呈现开路，四分之一波长（λ/4）阻抗变换线将R_opt/2转换为2R_opt，主功放会提前达到饱和，且此时的输出功率为P/2。在高功率（HP）区，辅功放开始工作，由于有源负载调制效应，主功放的负载阻抗会逐渐降低，但主功放仍然保持饱和状态，当辅功放达到饱和时，主辅功放的负载阻抗均为R_opt，DPA的总输出功率为2P。因此，DPA的效率曲线有两个峰值点，分别出现在最大输出功率处及6-dB回退处，这意味DPA与传统功放相比有很大的回退效率提升。

5G Massive MIMO基站中有大量的功放单元，为了保持合理的系统尺寸，DPA需要基于集成电路工艺进行设计。此外，在手机等终端应用场景，也有集成DPA的需求。在低频段，DPA中的λ/4线尺寸较大，为了减小芯片面积，通常采用集总参数网络等效λ/4线，图2给出了三种典型的集总参数λ/4线。图2(a)是高通π型网络，其中并联电感可用于漏极供电，串联电容可用于隔直。图2(b)是低通π型网络，其中并联电容可以有效吸收晶体管的输出电容，因此可以实现更宽的带宽。不过低通π型网络需要引入额外的漏极偏置电路，而且晶体管输出电容可能会超过其所需的并联电容。图2(c)是T型电感网络，解决了上述两个问题，图中的C_out表示晶体管输出电容，并联电感L_T2可用于漏极供电。T型电感网络的元件参数可以用下式计算：

                        (1)

其中ω为工作角频率，Z₀为λ/4线的特性阻抗。

当前通信频段众多，为了降低通信系统的尺寸和成本，通常要求单个功放支持多个频段。然而，由于采用了λ/4阻抗变换线，DPA存在固有的带宽限制，集成DPA中的λ/4阻抗变换线用集总参数网络实现，这会导致带宽进一步变窄。双频技术是是实现多频段覆盖的方法之一，其核心是双频λ/4阻抗变换线的设计。在现有技术中已有双频DPA的报道，按照双频λ/4阻抗变换线的实现方法主要分为两种：第一种基于T型或π型网络，可见申请号为CN201220472136.9，名称为“一种基于T型网络和耦合线的双频同步式功率放大器”的专利申请；第二种基于传输线的周期性，可参考申请号为CN201811426440.8、名称为“一种基于相位延迟双频输出匹配网络的宽带双频段Doherty功率放大器”的专利申请。但是这两种方法设计的DPA尺寸都很大，只适用于板级功放，难以应用在集成DPA设计中。