[0001] 本发明涉及通信技术领域，尤其是一种宽带高回退Doherty功率放大器设计方法、功率放大器及设备。

[0002] 现代通信系统通常采用峰均功率比信号更大的高阶调制方案，以实现高数据速率和频谱效率。第五代移动通信技术的发展实现了多种通信标准的共存，这就要求发射系统同时处理不同调制格式的信号。此类发射信号的功率峰均比(PAPR)通常为9dB或更高，需要功率放大器在饱和和回退状态下均能提供高效性能。为了实现高PAPR信号的传输，Doherty功率放大器(DPA)由于其结构简单被广泛使用。然而，传统的DPA在负载调制为2:1电压驻波比的情况下，回退范围只能做到6dB。

[0003] 为了实现高回退的DPA，目前主流的技术是多路、多级、非对称DPA和针对对称DPA的匹配网络优化实现回退范围拓展。但现有的高回退DPA仍存有以下缺点：1)非对称、多路多级DPA这些方法需要复杂的电路设计，而且由于多分支分流或输入功率的不均匀驱动，会导致功率增益下降，无法有效应用。2)高回退对称DPA需要一个高Q值的匹配阻抗满足9dB及以上的回退范围，这严重限制了DPA的带宽，只能在单个频率点上有效地扩展输出功率回退范围。

[0088] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

[0089] 在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0090] 在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

[0091] 本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

[0092] 为了将回退范围提高6dB以上，一部分现有文献开发了多路DPA、多级DPA和非对称DPA等回退增强方法。多路或多级DPA通常使用多个峰值放大器，增加峰值放大器的总输出电流以增强负载调制。非对称DPA使用具有较大功率处理或漏极电源电压的峰值放大器来提升辅助电流。另一部分现有文献则是针对对称DPA提出的方法：如复数负载、虚拟短路线和异相电流合成，通过修改动态负载跨度比来提升回退水平。但是现有的高回退DPA仍存有以下缺点：1)非对称、多路多级DPA这些方法需要复杂的电路设计，而且由于多分支分流或输入功率的不均匀驱动，会导致功率增益下降，无法有效应用。2)对称DPA需要一个高Q值的匹配阻抗满足9dB及以上的回退范围，这严重限制了DPA的带宽，只能在单个频率点上有效地扩展输出功率回退范围。

[0093] 为解决现有的技术问题，本发明提出一种宽带高回退Doherty功率放大器设计方法、功率放大器及设备。本发明方法采用电流相位差和复数负载协同调控随频率变化的回退水平，所述电流相位差由相位色散因子和中心频率电流相位求出。采用动态变化的复数负载和电流相位差组合参数，抵消匹配网络的色散效应，实现宽频范围内实现全频段的高回退范围。基于宽带高回退设计方法设计Doherty功率放大器，包括功分器、主路功率放大器支路、辅路功率放大器支路和后匹配电路。采用计算得到的相位色散因子、电流相位和复数负载设计具有目标回退范围的Doherty功率放大器。综合以上方法，最终改善Doherty功率放大器的带宽和回退范围性能。

[0094] 实施例1

[0095] 如图1所示，本实施例提供一种宽带高回退Doherty功率放大器，包括：功分器、基于宽带高回退方法设计的主路功率放大器支路、辅路功率放大器支路和后匹配网络。

[0096] (1)电路结构说明

[0097] 具体电路结构包括：

[0098] 功分器(PD)，用于将射频输入信号均等分为两路信号，两路信号分别输入主路功率放大器支路和辅路功率放大器支路；

[0099] 主路功率放大器支路，包括依次连接的相位补偿电路、包含栅级偏置电路的第一输入匹配网络(IMN1)、第一晶体管(T1)、包含漏极偏置电路的第一输出匹配网络(OMN1)；

[0100] 辅路功率放大器支路，包括依次连接的包含栅级偏置电路的第二输入匹配网络(IMN2)、第二晶体管(T2)、包含漏极偏置电路的第二输出匹配网络(OMN2)；

[0101] 后匹配结构(PM)，与第一输出匹配网络和第二输出匹配网络的合路点连接，用于将合路点的阻抗匹配至射频输出阻抗；

[0102] 本发明实施例中，主路功率放大器支路和辅路功率放大器支路釆用并联的方式连接。当Doherty功率放大器的输出功率在低功率输出区间时，使得辅路功率放大器支路处于关闭状态。当Doherty功率放大器的输出功率在高功率输出区间时，主路功率放大器支路和辅路功率放大器支路导通。

[0103] 在本发明实施例中，功分器、输入输出匹配网络及后匹配网络均为金属微带线构成。具体电路从输入端到输出端分为几个部分：功分器(PD)将射频输入信号均等分为两路信号、输入匹配电路中的相位补偿电路保证主路辅路两条支路在输出合路点的相位满足预先设计的电流相位差。包含栅级偏置电路和并联R1C1稳定电路的第一输入匹配网络(IMN1)由金属微带线及隔离电阻R3构成。包含栅级偏置电路和并联R2C3稳定电路的第二输入匹配网络(IMN2)由金属微带线及隔离电阻R4构成。第一晶体管T1和第二晶体管T2作为功率放大管。包含漏极偏置电路的第一主路输出匹配网络(OMN1)，由多段金属微带线构成，提供阻抗匹配功能。包含漏极偏置电路的第二辅路输出匹配网络(OMN2)，由多段金属微带线构成，用于提供阻抗匹配功能。后匹配网络(PM)，将合路点的复数负载阻抗匹配至射频输出阻抗。本实施例中射频输出阻抗预设为50Ω。

[0104] (2)电路工作原理说明

[0105] 本实施例的Doherty功率放大器输出网络是基于所述宽带高回退功率放大器设计方法所得到的目标，以9dB回退范围为例，用回退范围相关参量在宽频内联合动态调控回退范围水平，实现在宽带内维持9dB回退范围，使宽带和高回退性能同时实现。

[0106] Doherty功率放大器通常由两个分支放大器组成，其中主路功率放大器支路偏置在AB类模式，辅路功率放大器支路偏置在C类模式。通过有源负载调制，两个放大器在高输入功率下同时工作，主放大器在低输入功率下独立工作。这种工作方案使DPA能够适应高PAPR信号并在回退区域保持高效率。

[0107] 本发明实施例Doherty功率放大器的负载调制网络布局如图2所示，第一晶体管通过第一输出匹配网络(OMN1)和第二辅助晶体管通过第二输出匹配网络(OMN2)，使得主路功率放大器支路和辅路功率放大器支路与后匹配网络的复数负载阻抗进行阻抗匹配。

[0108] 由图2可见，本发明实施例第一输出匹配网络满足饱和和回退状态双阻抗匹配，主路合路点电流为Ic∠θc，合路点端口输出阻抗依据回退范围目标值和选定的所述宽带高回退功率放大器设计方法的参数组合计算；

[0109] 第二输出匹配网络满足饱和和回退状态双阻抗匹配，辅路合路点电流为Ip∠θp，合路点端口输出阻抗依据回退范围目标值和选定的所述宽带高回退功率放大器设计方法的参数组合计算；

[0110] 后匹配网络输入阻抗(RL+j*XL)依据回退范围目标值和选定的所述宽带高回退功率放大器设计方法的参数组合计算。

[0111] (3)设计开发方法说明

[0112] 本发明实施例还公开一种宽带高回退Doherty功率放大器开发方法，用于开发本实施例的Doherty功率放大器，包括以下步骤：

[0113] S1.设计第一晶体管和第二晶体管。不同晶体管类型和尺寸会令所开发的Doherty功率放大器的最大输出功率和工作频带产生差异，本发明使用CGH400010F作为实施晶体管。

[0114] S2.根据第一晶体管和第二晶体管参数，确定所设计Doherty功率放大器的目标回退范围。

[0115] 本发明实施例中，步骤2具体包括以下步骤：

[0116] 确定第一晶体管的饱和电流和第二晶体管的饱和电流，将第一晶体管的饱和电流和第二晶体管的饱和电流之间的比值记为α；

[0117] 确定第一晶体管的最优回退阻抗和饱和阻抗，将第一晶体管的最优回退阻抗和饱和阻抗比值记为βd；

[0118] 根据α和βd，确定所设计Doherty功率放大器的目标回退范围：

[0119] OBO＝10log[(1+a)βd]；

[0120] 其中，OBO表示目标回退范围。

[0121] S3.确定所设计Doherty功率放大器的目标工作频率。

[0122] S4.绘制回退范围等高线图，在所述回退范围等高线图中选择所述目标回退范围内的复数负载值和电流相位差值，作为目标复数负载值和目标电流相位差值。

[0123] 步骤S4中，所述回退范围等高线图根据以下公式绘制：

[0124]

[0125] 本发明实施例回退范围等高线图如图4所示。在图4的等高线图中，确定了所设计DPA的回退范围OBO之后，反射系数ΓC的值可通过步骤S4中的公式求出。因此，反射系数可以表征回退范围，将阻抗与回退范围联系起来并得出反射系数和相位色散及复数负载参数的表达式。

[0126] S5.根据目标复数负载值和目标工作频率确定主路功率放大器支路和辅路功率放大器支路的目标相位色散因子之差；

[0127] 步骤S5中根据上一步的等高线图在目标回退范围线上选择合适的Δθ和ρΔ。得出与目标回退范围相对应的理论参数组合。

[0128] S6.设计第一输出匹配网络和第二输出匹配网络，使得所述第一输出匹配网络的相位色散因子和所述第二输出匹配网络的相位色散因子之差符合所述目标相位色散因子
之差；

[0129] 本发明实施例中，所述第一输出匹配网络的相位色散因子为ρC；所述第二输出匹配网络的相位色散因子为ρP；所述目标相位色散因子之差以ρΔ表示；所述第一输出匹配网络的相位色散因子和所述第二输出匹配网络的相位色散因子之差符合所述目标相位色散因子之差，通过以下公式呈现：

[0130] ρΔ＝ρp‑ρc；

[0131] θp＝θp0+ρp(1‑f)；

[0132] θc＝θc0+ρc(1‑f)；

[0133] Δθ＝θp‑θc＝θΔ+ρΔ(1‑f)；

[0134] 设计第一输出匹配网络和第二输出匹配网络时，合路点的之间的相位色散因数差为ρΔ。利用以下公式可以计算出第一输出匹配网络输出阻抗ZC和第二输出匹配网络输出阻抗ZP。当辅路功率放大器支路关闭时，负载阻抗RL+jXL与第一晶体管输出阻抗4Ropt匹配。

[0135] ZL＝RL+jXL

[0136] ZC＝(RL+jXL)(1+cosΔθ)+j(RL+jXL)sinΔθ；

[0137] Zp＝(RL+jXL)(1+cosΔθ)‑j(RL+jXL)sinΔθ；

[0138] S7.设计后匹配网络，所述后匹配网络具有所述目标复数负载值。

[0139] 本发明实施例中，后匹配阻抗使用复数负载实现。在匹配网络相位色散因子影响下在宽带内无法保持恒定的电流夹角，因此需要引入额外的参量来抵消相位色散达到控制随频率变化的回退范围的效果。所述宽带高回退功率放大器设计方法则是引入了复数负载来抵消相位色散引起的电流相位差变化，使可能设计的Doherty功率放大器在宽带内维持稳定的任意回退范围。

[0140] S8.设计功分器、第一输入匹配网络和第二输入匹配网络，组成Doherty功率放大器。

[0141] 图5‑8显示了不同电流相位差下固定比率复数负载对回退范围的影响。以目标回退范围为9dB和合路器节点处的电流相位差分别为θΔ＝30°、θΔ＝60°、θΔ＝90°和θΔ＝120°(IP>IC，ρΔ>0)为例说明。

[0142] 以图5为例，电流相位差技术的回退范围与频率成正比，因此需要增强低频时的回退范围，降低高频时的回退范围增长率。电容组合负载可以实现这一功能，以保持恒定的9dB回退范围。在Δθ小于90°时，电容性组合负载通常能为较小的Δθ提供更大的提升。

[0143] 如图5所示，在XL/RL相等的情况下，回退范围在低频段的增强效果明显大于在高频段的增强效果。当角度增大到一定程度(如120°)时，一些电容组合负载会降低回退范围，如图7、8所示的高频段。在图5‑8举例的组合参数中，[θΔ＝60°，XL/RL＝‑2]和[θΔ＝90°，XL/RL＝‑3]可以在宽频带实现约9dB的回退范围。

[0144] 本发明通过复数负载和异相电流合成的联动调节，可以在宽频带内实现9dB的回退范围。固定的θΔ和XL/RL的组合导致设计缺乏灵活性。将复杂的组合负载作为可变因素进行调节，可进一步扩展设计空间和灵活性，最终绘制出如图3所示的等高线图。图3中绘制的XL/RL和Δθ的值分别为[‑12,12]和[‑170,170]。所有能实现6dB至14dB回退范围的异相电流合成和复数负载组合均可在此范围内表示。DPA回退范围在14dB以上的情况，用图中的黑点填充了这一范围。黑色实线为n dB回退范围等高线，只要复数负载和异相电流合成的变化符合这条曲线的轨迹，就能在宽带内保持n dB的回退范围。

[0145] (4)实验结果

[0146] 本发明实施例一的宽带高回退功率放大器RL为25Ω，根据9dB回退范围的等高线和组合节点阻抗的品质因数，设计XL为0至12，Δθ为123°至87°，随着频率带宽f的增加而变化。主路输出匹配网络和辅路输出匹配网络的输出端口阻抗ZC和ZP分别由设计方法中步骤S6的公式计算得出。在归一化频率带宽内所对应的复数负载和电流相位差均在图9中所展示。

[0147] 将被发明实施例1的宽带高回退Doherty功率放大器应用于移动通信频段的无线通信。样品和测试结果分别如图10、11所示，实施例一在44dBm左右的饱和功率下，1.8‑
2.6GHz频率下的漏极效率达到68％‑76％。在平均功率为35dBm时，9dB回退范围的漏极效率为43.5％‑52.5％。

[0148] 实施例二

[0149] 本发明提出的实施例一和二选取不同的参数组合，实施例一中，扩展回退范围的主要作用是异相电流合成，复数负载起辅助作用；而实施例二则是复数负载起主导作用，异相电流合成在宽带内协助调节回退范围的电平。随着XL/RL绝对值的增加，正电流角用于调节回退范围。当复数负载降低到1.8以下时，通过引入负电流角来调节回退范围。

[0150] 如图12‑14所示，本发明实施例二的宽带高回退功率放大器RL设置为15Ω，以避免虚部过大。随着频率的增加，XL与RL的比值从‑2.13到‑1.6不等。所设计的DPA的后置匹配输入阻抗为容性。主路输出匹配网络和辅路输出匹配网络的输出端口阻抗ZC和ZP分别由设计方法中步骤S6的公式计算得出。在归一化频率带宽内所对应的复数负载和电流相位差均在图12中所展示。实施例二的工作频率为2.0‑2.5GHz的饱和输出功率为43.9‑44.4dBm，饱和增益为8.06‑10.3dB。在饱和功率下，漏极效率达到73％‑74％，在9dB回退点(～35dBm)处，漏极效率为42％‑49％。

[0151] 实施例三

[0152] 如图15所示，实施例三在实施例一的基础上，将主路输出匹配网络OMN1的T型+阶跃微带结构改为T型+L型结构，辅路输出匹配网络OMN2保留T型微带结构不变，后匹配网络PM将实施例一中的阶跃微带结构改为T型微带结构。经过以上修改，该实施例同样可以与实施例一类似的宽带高回退性能。

[0153] 实施例四

[0154] 如图16所示，实例四在实施例二的基础上，在输入端，将两级功分器结构更改为单极功分器结构，去除了稳定网络结构，该输入部分结构使实施例四的功率放大器在工作频带内保持稳定工作。将主路输出匹配网络OMN1的T型结构改为双L型结构，辅路输出匹配网络OMN2保留T型微带结构改为Π型微带结构，后匹配网络PM将实施例一中的阶跃微带结构改为双L型微带结构。经过以上修改，该实施例同样可以与实施例二类似的宽带高回退性能。

[0155] 本发明提出的实施例一、二、三、四说明了该宽带高回退功率放大器设计方法可适用于任意结构，任意参数可能的设计。

[0156] 综上所述，本发明相对于现有技术，至少具有如下优点及有益效果：

[0157] (1)本发明提出的宽带高回退功率放大器设计方法引入了相位色散因子来表征回退范围与频率的关系。本发明提出了一种动态变化的复数负载和电流相位差组合参数，抵消匹配网络的色散效应，实现宽频范围内实现全频段的高回退范围。本发明提出的设计方法同时提升了Doherty的回退范围和带宽性能。

[0158] (2)本发明主要基于多项拓展回退范围技术补偿调控的宽带高效功率放大器。相较于现有技术方案中的多路DPA、多级DPA和非对称DPA。避免了复杂的电路设计，和多分支分流或输入功率的不均匀驱动导致的功率增益下降。此外传统的拓展回退方法的应用范围仅限于单频或窄带，本发明所提出方法在宽频内可实现高回退性能，实施例相较于以往对称Doherty功率放大器满足9dB回退效率的情况下拓展了百分之30以上的带宽，打破了对称高回退Doherty功率放大器的带宽限制。

[0159] (3)本发明的宽带高回退方法可适用于任意频段任意结构功率放大器，适用于通信系统。采用所提出的宽带高效Doherty功率放大器开发方法，可实现多种结构的Doherty功率放大器，具有高通用性、泛用性。

[0160] 本实施例还提供一种电子设备，电子设备中包括图1所示的宽带高回退Doherty功率放大器。

[0161] 在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

[0162] 此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

[0163] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0164] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

[0165] 以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。