專利名稱：基于t型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)的功率放大器設(shè)計(jì)領(lǐng)域。特別涉及一種基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放及其設(shè)計(jì)方法。尤其是用于多頻段、高效的移動(dòng)通信基站末級(jí)射頻輸出中的一種支持雙頻段的同步式功率放大器及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
為了實(shí)現(xiàn)“綠色”通信的新理念，高效功率放大器正受到越來(lái)越多的關(guān)注和重視。目前有幾種技術(shù)能夠達(dá)到高效率的目的。一些工作模式如E類、F類功放能夠達(dá)到很高的漏極效率，理想狀態(tài)下達(dá)到100%的漏極效率，但是這類功放的缺點(diǎn)是線性度比較差。Doherty(多爾蒂)結(jié)構(gòu)的功放兼有較高的效率(相對(duì)于AB類放大器)和較好線性度(相對(duì)于C類放大器)，目前已廣泛地應(yīng)用于無(wú)線通信基站當(dāng)中。但是由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，帶寬受到限制，無(wú)法滿足寬帶系統(tǒng)的要求。Doherty電路的基本原理是將輸入信號(hào)的平均部分和峰值部分分開(kāi)放大，然后合成，從而獲得高效率。由于Doherty結(jié)構(gòu)的有源負(fù)載牽引特性，使得功放能在一定功率回退的范圍內(nèi)保證較高效率，滿足不同峰均比調(diào)制信號(hào)的放大需求。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)與Doherty功放相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)高效率、高線性功放。隨著技術(shù)發(fā)展，未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)需要同時(shí)支持不同的標(biāo)準(zhǔn)，這就要求基站發(fā)射機(jī)終端能夠同時(shí)處理不同頻率的信號(hào)，因此多頻段工作的功率放大器將得到很大應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)多頻段工作，一些設(shè)計(jì)功放的方法被提出來(lái)。其中有一類功放用并聯(lián)功放實(shí)現(xiàn)多頻工作，每個(gè)功放調(diào)節(jié)到單頻最佳工作狀態(tài)，需要時(shí)使用開(kāi)關(guān)選擇適合的功放處理不同頻率的信號(hào)。這類功放的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，但是成本很高，而且不能同時(shí)處理多頻信號(hào)。另外一類功放使用可重構(gòu)的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多頻工作，這類功放的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中包含一些可調(diào)節(jié)的元件，如微機(jī)電系統(tǒng)，可變電容二極管等，通過(guò)電壓控制這些元件改變負(fù)載網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使其在某一頻率實(shí)現(xiàn)最佳工作狀態(tài)。這類功放的電壓控制比較難，而且不能同時(shí)處理多頻信號(hào)。第三類功放使用多頻帶通網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多頻工作，這類功放的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)是它能同時(shí)處理多頻/[目號(hào)。傳統(tǒng)的Doherty功放由一個(gè)功分器加一段四分之一波長(zhǎng)傳輸線、一個(gè)主功放、一個(gè)輔功放、兩段延遲線、一段四分之一波長(zhǎng)傳輸線組成，因?yàn)檫@些組成元件只能工作在一個(gè)頻率下，所以傳統(tǒng)Doherty功放只能工作在單一頻段上。目前，基于一些雙頻結(jié)構(gòu)，一些無(wú)源器件能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻同步工作。在一些文章中，一種T型網(wǎng)絡(luò)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻的定向I禹合器,這種定向I禹合器與傳統(tǒng)的定向I禹合器結(jié)構(gòu)相同，不同點(diǎn)在于其中的每段四分之一波長(zhǎng)的傳輸線被τ型網(wǎng)絡(luò)代替。這種τ型網(wǎng)絡(luò)包含兩段串聯(lián)傳輸線和一段置于中間的分支線，分支線可以是短路到地的，也可以是開(kāi)路的。這種定向耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)在任意兩個(gè)不同頻率下，將輸入功率等分到兩個(gè)輸出端口并附加90°的相位差。在一些文章中，耦合線被用來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻工作的Wilkinson (威爾金森)功分器，耦合線可以是單節(jié)的也可以是雙節(jié)的。耦合線的功能是代替了傳統(tǒng)Wilkinson功分器中的四分之一波長(zhǎng)的傳輸線，在兩個(gè)不同頻率下都顯示出四分之一波長(zhǎng)的相位延遲特性。使用T型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是其頻率比能做很大，缺點(diǎn)是其尺寸比較大，頻率比比較大時(shí)，其中分支線可能很細(xì)(末端開(kāi)路)或者很粗(末端短路)。耦合線的特點(diǎn)是尺寸比較小，缺點(diǎn)是其頻率比范圍較小，當(dāng)參數(shù)設(shè)定正確后，T型網(wǎng)絡(luò)或者耦合線都能等效為一段雙頻的傳輸線

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放及其設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放具有雙路或者多路雙頻Doherty功放,包括兩種結(jié)構(gòu)一種是一個(gè)雙頻主功放和一個(gè)雙頻輔助功放連接至雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊；雙頻定向耦合器或雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊與輸入端連接，雙頻主功放和雙頻輔助功放分別與主雙頻延遲線和輔雙頻延遲線連接，主雙頻延遲線與第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接，第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線與輔雙頻延遲線和第二雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接在一起，第二段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接輸出端；雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊連接輸入端；另一種是一個(gè)雙頻主功放和第一雙頻輔助功放至第N雙頻輔助功放與一個(gè)包括 雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊連接；雙頻主功放與主雙頻延遲線連接，主雙頻延遲線與第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接，第一雙頻輔助功放至第N雙頻輔助功放對(duì)應(yīng)地與第一雙頻延遲線至第N雙頻延遲線連接，然后第一雙頻延遲線至第N雙頻延遲線公共節(jié)點(diǎn)再與第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線和第二段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接在一起，第二段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接。所述N為1-20個(gè)。所述雙頻主功放和雙頻輔功放均能夠同時(shí)工作在兩個(gè)不同頻段，并能同時(shí)處理不同頻率的兩個(gè)信號(hào)。所述第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線特性阻抗為50 Ω，第二段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線特性阻抗為35 Ω。所述基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線，能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻工作的四分之一波長(zhǎng)傳輸線和雙頻工作的延遲線；τ型網(wǎng)絡(luò)由雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線組成，包括(a)為雙頻定向耦合器，(b)為雙頻Wilkinson功分器，并串聯(lián)在信號(hào)傳輸路上；其中，(a)為雙頻定向耦合器由四段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線組成，其中上下兩段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線傳輸線具有Ω的特性阻抗，左右兩段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線具有50 Ω的特性阻抗上段兩端連接輸入、輸出端口 ；左右兩段分別與上下兩段連接，四段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線組成一個(gè)回路；(b)為雙頻Wilkinson功分器，由三段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線組成，其中，由兩個(gè)雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線和一個(gè)100 Ω電阻構(gòu)成，兩個(gè)雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線具有等效廠Ω的特性阻抗和一個(gè)50 Ω的特性阻抗的四分之一波長(zhǎng)傳輸線等效電長(zhǎng)度；所述耦合線為單節(jié)耦合線或兩節(jié)耦合線。一種基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放的設(shè)計(jì)方法，具體實(shí)施方案如下I)設(shè)計(jì)雙頻Doherty功放結(jié)構(gòu)；2)設(shè)計(jì)雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線；3)設(shè)計(jì)雙頻延遲線；4)設(shè)計(jì)雙頻定向稱合器或者雙頻Wilkinson功分器；
5)設(shè)計(jì)單路雙頻功放，其中包括設(shè)計(jì)雙頻負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和設(shè)計(jì)雙頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；6)綜合各個(gè)雙頻原件組成雙頻Doherty功放；7)調(diào)節(jié)各部分參數(shù)達(dá)到Doherty功放的工作性能；8)仿真測(cè)量雙頻Doherty功放的性能。所述雙頻Doherty功放含有一段雙頻定向耦合器或雙頻定向耦合器或雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊、一個(gè)雙頻主功放、一個(gè)雙頻輔助功放、兩段雙頻延遲線，兩段特性阻抗分別為50Ω和35Ω的雙頻四分之一波長(zhǎng)阻抗變換線；其中，雙頻定向耦合器由4個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)組成，其中上下兩個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)具有等效50/W Ω的特性阻抗，左右兩個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)具有50 Ω的特性阻抗，四個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)在兩個(gè)頻率上的等效電長(zhǎng)度均為四分之一波長(zhǎng)。雙頻Wilkinson功分器由兩個(gè)耦合線和一個(gè)100 Ω電阻構(gòu)成，兩個(gè)耦合線具有等效50/V2 Ω的特性阻抗和四分之一波長(zhǎng)的等效電長(zhǎng)度。雙頻主功放和輔助功放具有相同的拓 撲結(jié)構(gòu)，其負(fù)載網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)和一段并聯(lián)開(kāi)路線組成，能夠在兩個(gè)頻率將標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載變換到所需阻抗，輸入網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)Pi型網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)頻率上的共軛匹配。雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線或延遲線可以用T型網(wǎng)絡(luò)或者耦合線等效，其中T型網(wǎng)絡(luò)中的分支線可以是短路或者開(kāi)路線，耦合線可以使用單節(jié)或者雙節(jié)的耦合線。所述雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線或者雙頻延遲線為單節(jié)耦合線、雙節(jié)耦合線、帶短路分支線的T型網(wǎng)絡(luò)或者帶開(kāi)路分支線的T型網(wǎng)絡(luò)。所述雙頻功分器加90°相位差輸出模塊由雙頻定向耦合器，或者雙頻威爾金森功分器加雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線實(shí)現(xiàn)；雙頻定向耦合器和雙頻威爾金森功分器是由雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線構(gòu)成。本發(fā)明的有益效果是該功放能夠同時(shí)工作在任意兩種頻段上，本發(fā)明的雙頻Doherty功放能夠同時(shí)處理兩種不同頻率的信號(hào)，在不同頻帶上均能實(shí)現(xiàn)效率的提高。雙頻Doherty在單個(gè)頻帶上的表現(xiàn)與傳統(tǒng)Doherty功放相同，能提高小功率區(qū)的效率，在大功率區(qū)保持高效率，當(dāng)放大峰均比較大的信號(hào)時(shí)，功放的效率比普通功放要高很多。雙頻Doherty功放在兩個(gè)頻段同時(shí)工作時(shí)，由于交調(diào)的影響會(huì)使功放的線性度有所下降，通過(guò)預(yù)失真技術(shù)可以提高該功放的線性度。本發(fā)明是基于雙頻結(jié)構(gòu)及其工作原理，創(chuàng)造出一種雙頻同步工作的Doherty功放，這種功放利用T形網(wǎng)絡(luò)和耦合線代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)中的四分之一波長(zhǎng)傳輸線、延遲線以及阻抗變換線，最終實(shí)現(xiàn)Doherty功放同步處理兩種不同頻率信號(hào)的功能。


圖I為雙頻雙路Doherty功放的設(shè)計(jì)模型。圖2為雙頻多路Doherty功放的設(shè)計(jì)模型。圖3(a)為雙頻傳輸線的等效模型，(b)為單節(jié)耦合線，(C)為雙節(jié)耦合線，⑷為帶短路分支線的T型網(wǎng)絡(luò)，(e)為帶開(kāi)路分支線的T型網(wǎng)絡(luò)。圖4(a)為雙頻定向耦合器，(b)為雙頻Wilkinson功分器加四分之一波長(zhǎng)延遲線模塊。圖5為雙頻單路功率放大器圖6為輸入連續(xù)波時(shí)雙頻雙路Doherty功放的輸出功率和效率圖
圖7為輸入雙音信號(hào)時(shí)的雙頻雙路Doherty功放的輸出功率8為低頻段測(cè)量的雙頻雙路Doherty功放的漏極效率、功率附加效率和增益隨輸出功率變化的曲線圖9為高頻段測(cè)量的雙頻雙路Doherty功放的漏極效率、功率附加效率和增益隨輸出功率變化的曲線圖10為低頻段雙頻雙路Doherty功放與平衡式放大器的功率附加效率對(duì)比曲線圖11為高頻段雙頻雙路Doherty功放與平衡式放大器的功率附加效率對(duì)比曲線圖12為低頻段雙頻3路Doherty功放與平衡式放大器的漏極效率對(duì)比曲線圖13為高頻段雙頻3路Doherty功放與平衡式放大器的漏極效率對(duì)比曲線
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種設(shè)計(jì)雙頻Doherty功放的方法,具體實(shí)施方案如下I)設(shè)計(jì)雙頻Doherty功放結(jié)構(gòu)；2)設(shè)計(jì)雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線；3)設(shè)計(jì)雙頻延遲線；4)設(shè)計(jì)雙頻定向稱合器或者雙頻Wilkinson功分器；5)設(shè)計(jì)單路雙頻功放，其中包括設(shè)計(jì)雙頻負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和設(shè)計(jì)雙頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；6)綜合各個(gè)雙頻原件組成雙頻Doherty功放；7)調(diào)節(jié)各部分參數(shù)達(dá)到Doherty功放的工作性能。8)仿真測(cè)量雙頻Doherty功放的性能下面結(jié)合附圖,說(shuō)明雙頻Doherty功放的設(shè)計(jì)方法。首先需要確定雙頻Doherty功放的結(jié)構(gòu)模型,傳統(tǒng)的Doherty功放為雙路模型，后來(lái)發(fā)展出多路模型，本發(fā)明提出的雙頻Doherty功放模型也分為雙路和多路模型。如圖I所示為一個(gè)雙頻雙路Doherty功放模型,其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)單頻雙路Doherty功放一樣,具體結(jié)構(gòu)是一個(gè)雙頻主功放和一個(gè)雙頻輔助功放連接至雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊；雙頻定向耦合器或雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊與輸入端連接，雙頻主功放和雙頻輔助功放分別與主雙頻延遲線和輔雙頻延遲線連接，主雙頻延遲線與第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接，第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線與輔雙頻延遲線和第二雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接在一起，第二段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線為輸出端；雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊為輸入端。其中的各個(gè)元件均為雙頻模型，雙頻傳輸線(延遲線及四分之一波長(zhǎng)傳輸線)。雙頻雙路功率分配及90°相位差輸出模塊可以用定向耦合器，也可用Wilkinson功分加90°延遲線實(shí)現(xiàn)。圖2為一個(gè)多路雙頻Doherty功放模型，與雙路模型不同的是，它含有多個(gè)輔助功放，因此其前級(jí)需要一個(gè)多路功分器將功率分配到各個(gè)功放。三路功分器可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，三路以上的功分器可以用多個(gè)功分級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。具體結(jié)構(gòu)是一個(gè)雙頻主功放和第一雙頻輔助功放至第N雙頻輔助功放與一個(gè)包括雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊連接；雙頻主功放與主雙頻延遲線連接，主雙頻延遲線與第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接，第一雙頻輔助功放至第N雙頻輔助功放對(duì)應(yīng)地與第一雙頻延遲線至第N雙頻延遲線連接，然后第一雙頻延遲線至第N雙頻延遲線公共節(jié)點(diǎn)再與第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線和第二段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接在一起，第二段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接。設(shè)計(jì)雙頻Doherty功放中的雙頻傳輸線如圖3(a)所示的雙頻傳輸線的等效模型，設(shè)計(jì)要求該傳輸線實(shí)現(xiàn)同步工作在頻率4和4的條件為這種傳輸線可以等效為一段普通傳輸線，在第一個(gè)頻率具有Zca的等效特性阻抗和的等效電長(zhǎng)度，在第二個(gè)頻率具有Ζ 的等效特性阻抗和92的等效電長(zhǎng)度。耦合線和T型網(wǎng)絡(luò)都具有這種特性。圖3 (b)為單節(jié)耦合線結(jié)構(gòu)，圖3 (c)為雙節(jié)耦合線結(jié)構(gòu)，圖3 Cd)為帶短路分支線的T型網(wǎng)絡(luò)，圖3 (e)為帶開(kāi)路分支線的T型網(wǎng)絡(luò)。以單節(jié)耦合線為例，當(dāng)其等效為 一段雙頻傳輸線時(shí)，可以使用奇偶模分析方法確定其參數(shù)由耦合線與雙頻傳輸線的奇模輸入阻抗相等得
_ ZclZe _ Zc2(I)tan^ 恤么，XwOl2 咖么’
2 2由耦合線與雙頻傳輸線的偶模輸入阻抗相等得Z0 tan Ocl = Zcl tan γ > Z。tan Oc2 = Zcl tan γ-，( 2 )由電長(zhǎng)度與頻率成正比得= 4(^)
Jl式中Z。為雙頻傳輸線奇模等效阻抗，Ze為偶模等效阻抗。給定雙頻傳輸線的各個(gè)參量，綜合以上方程(I廣(3)可用計(jì)算機(jī)解得耦合線中各個(gè)參量的數(shù)值。雙節(jié)耦合線的各個(gè)參量值也可以用上述奇偶模分析方法求出。下面再以帶開(kāi)路分支線的T型網(wǎng)絡(luò)為例，當(dāng)其等效為一段雙頻傳輸線時(shí)，可以利用二端口網(wǎng)絡(luò)等效原理求解其中參數(shù)由T型網(wǎng)絡(luò)與雙頻傳輸線的AB⑶矩陣相等得
cos 見(jiàn) JZa sin θα I O cos JZa sin θα cos 沒(méi) /Zc sin 汐cos0IcoS0 = ^ cow ’ (4)
° Jl ^ 」l°」L a .其中，Za為雙頻傳輸線串聯(lián)部分的特性阻抗，Zb為并聯(lián)部分特性阻抗。由傳輸線電長(zhǎng)度與頻率成正比得奪 4(5)
αφ}.bid), fx Jiθ Sf1^aOf1為串聯(lián)傳輸線分別在和f2的電長(zhǎng)度，同樣，^krvh為并聯(lián)部分的電長(zhǎng)度。給定雙頻傳輸線參數(shù)，綜合方程(4)、(5)，可求出T型網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)參量數(shù)值。帶短路分支線的T型網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)參數(shù)也可以用相同方法求出。雙頻傳輸線在不同的兩個(gè)頻率可以具有不同的等效特性阻抗，不同的等效電長(zhǎng)度。在兩個(gè)不同頻率，雙頻傳輸線可以將某一標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載變換到需要的任意阻抗。為了實(shí)現(xiàn)四分之一波長(zhǎng)雙頻傳輸線，只需要將雙頻傳輸線在兩個(gè)頻率的電長(zhǎng)度設(shè)置為±90°即可，其兩個(gè)頻率處的特性阻抗根據(jù)需要可設(shè)置為相同值。由給定的參數(shù)值，根據(jù)以上分析方法可以求出雙頻結(jié)構(gòu)(T型網(wǎng)絡(luò)或者耦合線)的參量值。雙頻延遲線的設(shè)計(jì)方法與雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線的設(shè)計(jì)方法相同，不同點(diǎn)在于其在兩個(gè)頻率處的電長(zhǎng)度需要根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，這兩個(gè)電長(zhǎng)度需要在仿真中優(yōu)化得到。在雙頻Doherty功放模型中，前級(jí)需要一個(gè)雙頻功分器及90°相位差輸出模塊。這個(gè)模塊可以用雙頻定向耦合器實(shí)現(xiàn)，如圖4 (a)所示；也可以用雙頻Wilkinson功分器加雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線實(shí)現(xiàn)，如圖4 (b)所示。雙頻定向耦合器由四段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線組成，其中上下兩段(分別為第三段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線和第五段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線)傳輸線具有50/^ Ω的特性阻抗，左右兩段(分別為第六段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線和第四段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線)傳輸線具有50 Ω的特性阻抗。雙頻Wilkinson功分器包含三段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線和一個(gè)100 Ω的電阻，其中兩段(分別 為第三段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線和第五段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線)傳輸線具有5(WI Ω的特性阻抗；另一段為具有50 Ω的特性阻抗的第四段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線；這些結(jié)構(gòu)中的雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線可以用耦合線或者T型網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)給定參數(shù)可以求出耦合線或者T型網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)參量的值。在雙頻Doherty功放中，主功放和輔功放均為單路雙頻功放。本發(fā)明使用一種單路雙頻功放如圖5所示，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)為π型結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化可得到兩個(gè)頻率處的共軛匹配；負(fù)載網(wǎng)絡(luò)包含一段并聯(lián)開(kāi)路傳輸線，一個(gè)帶短路分支線的T型網(wǎng)絡(luò)，在兩個(gè)頻率點(diǎn)該網(wǎng)絡(luò)可以將標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載變換到需要的最佳阻抗。直流偏置電壓將該功放設(shè)置為AB類工作模式(主功放)或者C類工作模式(輔助功放)，直流供電電壓直接通過(guò)短路分支線連接到晶體管漏極。有了雙頻傳輸線，雙頻功分器和雙頻單路功放，一個(gè)如圖I所示雙頻雙路Doherty功放或者圖2所示的雙頻多路Doherty功放就能夠?qū)崿F(xiàn)。在仿真中,通過(guò)調(diào)節(jié)雙頻延遲線的等效電長(zhǎng)度，可以優(yōu)化得到Doherty功放的最佳工作性能。為了驗(yàn)證雙頻Doherty功放的可行性，一個(gè)使用SiC MESFET 24010器件基于T型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的雙頻900MHz和2GHz雙路Doherty功放得以實(shí)現(xiàn)并給出了仿真測(cè)試結(jié)果，如圖
(6) (11)所示。當(dāng)輸入功率為29dbm的連續(xù)波時(shí)，該功放仿真測(cè)量的輸出功率及漏極效率如圖6所示。在低頻段，輸出功率約為39dbm，測(cè)量效率為47% ;在高頻段的輸出功率約為37dbm，測(cè)量效率約為42%。當(dāng)輸入雙音QPSK信號(hào)，帶寬5MHz，每個(gè)信號(hào)功率22dbm時(shí)，測(cè)量的輸出功率如圖7所示。從圖上可見(jiàn)基波輸出功率約為30dbm，信號(hào)交調(diào)功率比基波功率小20dB。在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用預(yù)失真方法進(jìn)一步提高功放的線性度。掃描輸入功率，可以得到漏極效率、功率附加效率和功率增益與輸出功率的變化曲線。圖8為在低頻段測(cè)量的數(shù)據(jù)，漏極效率達(dá)到了 50%，功率附加效率達(dá)到了 40%，增益介于5到IOdB之間。圖9為高頻段測(cè)量數(shù)據(jù)，漏極效率達(dá)到了 40%以上，功率附加效率達(dá)到7 30%以上，增益介于5到IOdB之間。
為了找出Doherty功放對(duì)效率的提高量，將雙頻Doherty功放與一個(gè)雙頻平衡時(shí)放大器作對(duì)比，得到圖10和圖11測(cè)量的功率附加效率對(duì)比結(jié)果。圖10為低頻段測(cè)量的功率附加效率，可見(jiàn)該功放在最大輸出功率回退6dB點(diǎn)的功率附加效率比平衡式放大器提高了 14%。圖11為高頻段測(cè)量的功率附加效率，該功放在最大輸出功率回退6dB點(diǎn)的功率附加效率比平衡式放大器提高了 13%。同樣的，使用SiC MESFET 24010器件并基于T型網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)雙頻900MHz和2GHz的三路Doherty功放被設(shè)計(jì)出來(lái)驗(yàn)證理論,仿真結(jié)果如圖12和圖13所示。如圖12所示，在低頻段測(cè)量的漏極效率對(duì)比結(jié)果顯示，在最大輸出功率回退9dB處，雙頻三路Doherty功 放的漏極效率比平衡式放大器的漏極效率提高了 23%。如圖13所示，在高頻段測(cè)量的漏極效率對(duì)比結(jié)果顯示，在最大輸出功率回退9dB處，雙頻三路Doherty功放的漏極效率比平衡式放大器的漏極效率提高了 20%。
權(quán)利要求
1.一種基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放，其特征在于，所述基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放具有雙路或者多路雙頻Doherty功放，包括兩種結(jié)構(gòu)一種是一個(gè)雙頻主功放和一個(gè)雙頻輔助功放連接至雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊；雙頻定向耦合器或雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊與輸入端連接，雙頻主功放和雙頻輔助功放分別與主雙頻延遲線和輔雙頻延遲線連接，主雙頻延遲線與第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接，第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線與輔雙頻延遲線和第二雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接在一起，第二段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線為輸出端；雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊為輸入端；另一種是一個(gè)雙頻主功放和第一雙頻輔助功放至第N雙頻輔助功放與一個(gè)包括雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊連接；雙頻主功放與主雙頻延遲線連接，主雙頻延遲線與第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接，第一雙頻輔助功放至第N雙頻輔助功放對(duì)應(yīng)地與第一雙頻延遲線至第N雙頻延遲線連接，然后第一雙頻延遲線至第N雙頻延遲線公共節(jié)點(diǎn)再與第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線和第二段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接在一起，第二段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放，其特征在于，所述N為1-20個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放，其特征在于，所述雙頻主功放和雙頻輔功放均能夠同時(shí)工作在兩個(gè)不同頻段，并能同時(shí)處理不同頻率的兩個(gè)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放，其特征在于，所述第一段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線特性阻抗為50 Ω，第二段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線特性阻抗為 35Ω。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放，其特征在于，所述基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線，能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻工作的四分之一波長(zhǎng)傳輸線和雙頻工作的延遲線；T型網(wǎng)絡(luò)由雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線組成，包括(a)為雙頻定向耦合器，(b)為雙頻Wilkinson功分器，并串聯(lián)在信號(hào)傳輸路上；其中，(a)為雙頻定向耦合器由四段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線組成，其中上下兩段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線傳輸線具有50/萬(wàn)Ω的特性阻抗，左右兩段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線具有50 Ω的特性阻抗上段兩端連接輸入、輸出端口 ；左右兩段分別與上下兩段連接，四段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線組成一個(gè)回路；(b)為雙頻Wilkinson功分器，由三段雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線組成，其中，由兩個(gè)雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線和一個(gè)100Ω電阻構(gòu)成，兩個(gè)雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線具有等效50/4 Ω的特性阻抗和一個(gè)50Ω的特性阻抗的四分之一波長(zhǎng)傳輸線等效電長(zhǎng)度；所述耦合線為單節(jié)耦合線或兩節(jié)耦合線。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放，其特征在于，所述雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線或者雙頻延遲線為單節(jié)耦合線、雙節(jié)耦合線、帶短路分支線的T型網(wǎng)絡(luò)或者帶開(kāi)路分支線的T型網(wǎng)絡(luò)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放，其特征在于，所述雙頻功分器加90°相位差輸出模塊由雙頻定向耦合器，或者雙頻威爾金森功分器加雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線實(shí)現(xiàn)；雙頻定向耦合器和雙頻威爾金森功分器是由雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線構(gòu)成。
8.一種基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，具體實(shí)施方案如下 1)設(shè)計(jì)雙頻Doherty功放結(jié)構(gòu)； 2)設(shè)計(jì)雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線； 3)設(shè)計(jì)雙頻延遲線； 4)設(shè)計(jì)雙頻定向耦合器或者雙頻Wilkinson功分器； 5)設(shè)計(jì)單路雙頻功放，其中包括設(shè)計(jì)雙頻負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和設(shè)計(jì)雙頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)； 6)綜合各個(gè)雙頻原件組成雙頻Doherty功放； 7)調(diào)節(jié)各部分參數(shù)達(dá)到Doherty功放的工作性能； 8)仿真測(cè)量雙頻Doherty功放的性能。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述雙頻Doherty功放含有一段雙頻定向耦合器或雙頻雙路功分器加90°相位差輸出的功分器模塊、一個(gè)雙頻主功放、一個(gè)雙頻輔助功放、兩段雙頻延遲線，兩段特性阻抗分別為50Ω和35Ω的雙頻四分之一波長(zhǎng)阻抗變換線；其中，雙頻定向耦合器由4個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)組成，其中上下兩個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)具有等效w/λΓ Ω的特性阻抗，左右兩個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)具有50 Ω的特性阻抗，四個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)在兩個(gè)頻率上的等效電長(zhǎng)度均為四分之一波長(zhǎng)。雙頻Wilkinson功分器由兩個(gè)耦合線和一個(gè)100 Ω電阻構(gòu)成，兩個(gè)耦合線具有等效50/萬(wàn)Ω的特性阻抗和四分之一波長(zhǎng)的等效電長(zhǎng)度。雙頻主功放和輔助功放具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其負(fù)載網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)和一段并聯(lián)開(kāi)路線組成，能夠在兩個(gè)頻率將標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載變換到所需阻抗，輸入網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)Pi型網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)頻率上的共軛匹配。雙頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線或延遲線可以用T型網(wǎng)絡(luò)或者耦合線等效，其中T型網(wǎng)絡(luò)中的分支線可以是短路或者開(kāi)路線，耦合線可以使用單節(jié)或者雙節(jié)的耦合線。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于無(wú)線通信技術(shù)的功率放大器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種基于T型網(wǎng)絡(luò)和耦合線的雙頻同步式功放及其設(shè)計(jì)方法。雙頻同步式工作在任意兩種頻段上，本發(fā)明的雙頻Doherty功放具有雙路或者多路雙頻功放，能夠同時(shí)處理兩個(gè)不同頻率的信號(hào)，在不同頻帶上均能實(shí)現(xiàn)效率的提高。雙頻Doherty在單個(gè)頻帶上的表現(xiàn)與傳統(tǒng)Doherty功放相同，能提高小功率區(qū)的效率，在大功率區(qū)保持高效率。
文檔編號(hào)H03F1/32GK102868368SQ20121034328
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者李翔, 陳文華, 馮正和 申請(qǐng)人:清華大學(xué)