[发明专利]宽带差分Doherty功率放大器及其设计方法和应用

说明书

本发明公开一种宽带差分Doherty功率放大器及其设计方法和应用。本发明非对称功分器将差分输入信号进行不等分功率分配，将功率较大的第一信号和第二信号分别输出给第一峰值功率放大器和第二峰值功率放大器，并将功率较小的第三信号和第四信号经由输入巴伦合成后输出给载波功率放大器。经载波放大器放大后的信号由输出巴伦转换成一对差分信号，分别与第一峰值功率放大电路和第二峰值功率放大电路输出端相连接，再将合路功率输出后匹配电路，从而得到一对差分输出信号。此差分信号直接与差分馈电天线互联，形成高集成度高效率有源天线系统。本发明采用了宽带匹配结构，拓展带宽，提高回退范围和与天线集成度，且设计思路简单，便于推广。

技术领域

本发明涉及射频微波通信领域，提出了一种紧凑型差分有源天线系统，尤其涉及一种宽带差分Doherty功率放大器及其设计方法和应用，适用于直接作为驱动差分馈电天线，实现系统功能集成。

背景技术

随着现代移动通信系统的不断发展，高效率，高线性度和小硬件尺寸是通信系统一直追求的目标。有源天线将放大器和天线进行统一设计，具有集成度高、体积小等优势，特别适合5G和B5G时代的射频设计。同时，为了满足人们对无线网络速度日益增长的需求,现代移动通信多半采用高阶调制方式来提升频谱效率，因此射频设计中特别需要采取多种措施来提高功率放大器的效率和线性度。传统的功率放大器形式如A类、AB类虽然能实现高保真放大，但是对于非恒包络信号的放大效率很低，尤其是在大功率回退的时候。其中,Doherty功率放大器因为具有较高的回退效率、良好的线性度以及结构简单,尺寸紧凑的特点,因此大规模应用于现代移动通信系统中。Doherty功率放大器的关键技术是可以通过负载调制网络根据输入功率的大小动态调制功率放大器载波放大器和峰值放大器输出端所需要的阻抗值,从而提高功率放大器的输出效率。

经典的差分Doherty功率放大器，必须采用四个晶体管，不仅尺寸大，还大大地增加了系统的复杂性和成本。因此，采用三晶体管形式的差分Doherty功放可以复用其中一个晶体管，相比而言具有体积小、复杂度低的优势。但是，其负载调制网络工作带宽过窄的缺陷始终未得以解决。

巴伦是一种将差分信号转化为单端信号或者将单端信号转化为差分信号的电路元件。决定巴伦质量的重要参数为共模抑制比、相位平衡度和幅度平衡度。而Marchand巴伦，因其具有高稳定性、尺寸小和带宽大被广泛应用于射频电路。因此设计出具有相位平衡度高、幅度平衡度高和尺寸尽可能小的也是巴伦发展的重要发展方向。

针对目前现有技术中所存在的不足，实有必要进行研究，以提供一种通用的紧凑型宽带差分Doherty功率放大器的解决方法，并且以宽带差分Doherty功率放大器为基础提出一种紧凑型宽带差分有源天线系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可以在宽频段内工作的三晶体管差分Doherty功率放大器。通过使用改进的Marchand巴伦结构，使其具有良好的幅度和相位平衡度，并且易于平面集成，从而提升差分Doherty功率放大器带宽。

该放大器的核心包括输入输出宽带平面巴伦单元、输入/输出匹配网络、输入/输出偏置网络、功率合成网络和后匹配电路。其中输入/输出匹配均采用阶跃式宽带(高低阻抗)匹配的方法来进行，该方法以低通滤波器为原型，串联四根高低阻抗微带线，最终形成高低阻抗交替的阶跃式宽带匹配，从而达到宽带匹配的结构。后匹配电路用来提供在不同频率下所需的最优阻抗。

具体如下：