一種帶通濾波Doherty放大器及仿真設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信中使用的放大器，特別是像LTE、WIMAX這種具有高傳輸速率、高峰均比的無線通信中使用的高效率高線性和寬帶諧波抑制的帶通濾波Doherty放大器及仿真設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，功率放大器也得到了飛速的發(fā)展。其廣泛應(yīng)用于各種無線通信設(shè)備中，在雷達(dá)，個(gè)人通信，導(dǎo)航，衛(wèi)星通訊等系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。為了達(dá)到節(jié)能和減少環(huán)境污染的需求，綠色通信已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。功率放大器是通信系統(tǒng)中的主要耗能原件，其中基站中40%_60%的能量由功率放大器消耗，提高功率放大器的效率能夠有效的節(jié)能和減少環(huán)境污染。功率放大器的線性度直接決定了通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)暮脡?，小型化也是通信系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。所以提高效率和線性度以及小型化系統(tǒng)成為設(shè)計(jì)功率放大器的關(guān)鍵。一般的功率放大器工作在A類或AB類，來實(shí)現(xiàn)對(duì)效率和線性度的折中。為了滿足通信系統(tǒng)的線性要求，往往要求放大器進(jìn)行功率回退來達(dá)到所要求的線性度指標(biāo)，但是功率回退會(huì)造成效率的急劇惡化。從而產(chǎn)生大量的熱量，使得系統(tǒng)能耗大，熱處理復(fù)雜，散熱面積大，性能不穩(wěn)定，影響到整個(gè)系統(tǒng)的體積。這與綠色低碳的理念和基站小型化趨勢(shì)相違背。
[0003]在現(xiàn)代的移動(dòng)通信中，隨著3G、4G的發(fā)展，信號(hào)調(diào)制方式變得日趨復(fù)雜，為了提供高的傳輸速率和寬帶業(yè)務(wù)，往往會(huì)采用復(fù)雜的編碼調(diào)制技術(shù)，這樣所傳輸?shù)男盘?hào)一般具有較高的峰均比。為了滿足這樣的需求需要功率放大器具有高度效率和線性度。
[0004]為了改善功率放大器線性的和效率，目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種線性化技術(shù)和效率提升技術(shù)。其中線性化技術(shù)有功率回退技術(shù)、前饋技術(shù)、反饋技術(shù)和數(shù)字預(yù)失真技術(shù)(DPD)等；效率提升技術(shù)有包絡(luò)消除和恢復(fù)技術(shù)(EER)、包絡(luò)跟蹤技術(shù)(ET)、非線性元件實(shí)現(xiàn)線性放大技術(shù)(LINC)以及Doherty技術(shù)等。其中，Doherty功率放大器相對(duì)其他技術(shù)而言，具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)，并且線性影響較小的優(yōu)點(diǎn)，由于一個(gè)Doherty功率放大器由一個(gè)主放大器和一個(gè)輔助放大器構(gòu)成的拓?fù)錂C(jī)構(gòu)，其主放大器工作在AB類，輔助放大器工作C類。恰當(dāng)?shù)目刂戚o助放大器能夠使主放大器在功率回退區(qū)內(nèi)一直工作在峰值效率狀態(tài)。這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極其適用于高峰均比的現(xiàn)代無線信號(hào)高效率傳輸，因此已經(jīng)成為現(xiàn)代無線通信放大器設(shè)計(jì)中最有商用前景的技術(shù)。
[0005]之前對(duì)Doherty性能的改善主要集中在效率，線性度或小型化。從來沒有提出一種方法能夠同時(shí)改善效率，線性度以及小型化系統(tǒng)來提高通信系統(tǒng)的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)等功分Doherty功率放大器由于牽引不足而造成效率低，并且填補(bǔ)Doherty功率放大器同時(shí)提高效率，線性度，和小型化系統(tǒng)方面的空白，而提供一種具備高效率和寬帶諧波抑制的帶通濾波Doherty放大器及仿真設(shè)計(jì)方法。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)措施解決:
一種具備高效率和寬帶諧波抑制的帶通濾波Doherty放大器，包括從上至下依次排布的三層結(jié)構(gòu):第一層為微帶電路單元，第二層為基板，第三層為金屬地層；
所述微帶電路單元由正交耦合器、AB類功率放大器、C類功率放大器、負(fù)載調(diào)制電路、相位補(bǔ)償單元、功率合成器、信號(hào)屏蔽單元組成；其中正交耦合器的三端口與四端口分別與AB類功率放大器和C類功率放大器的輸入端連接，負(fù)載調(diào)制電路與相位補(bǔ)償單元的輸出端，相位補(bǔ)償單元與AB類功率放大器和C類功率放大器的輸出端連接，功率合成器將AB類功率放大器和C類功率放大器連接在一起，信號(hào)屏蔽單元鋪在微帶電路的四周并通過金屬過孔與金屬地層相連。
[0008]優(yōu)選的，所述正交耦合器為雪花型片狀微帶正交耦合器，包括四個(gè)互相銜接、夾角為90度的扇形微帶片狀單元、四條阻抗匹配線和四條狹槽；按位置對(duì)稱關(guān)系將所述四個(gè)互相銜接、夾角為90度的扇形微帶片狀單元分為兩組，第一組的兩個(gè)扇形微帶片狀單元的水平軸和豎直軸均對(duì)稱且結(jié)構(gòu)一致，半徑均為$，第二組的兩個(gè)扇形微帶片狀單元的水平軸和豎直軸均對(duì)稱且結(jié)構(gòu)一致，半徑均為盡，且兩組扇形微帶片狀單元相互銜接；每個(gè)扇形微帶片狀單元的左右都有相等的空隙，所述四條阻抗匹配線的中心線分別與位置相鄰的兩個(gè)扇形微帶片狀單元的交接線重合，且每一阻抗匹配線對(duì)應(yīng)地嵌入交接線重合的兩個(gè)扇形微帶片狀單元；所述狹槽分別由四個(gè)扇形微帶片狀單元的扇形邊沿向內(nèi)延伸，狹槽的中線與扇形的中線重合。
[0009]優(yōu)選的，所述四條阻抗匹配線的形狀和大小均一致，均為寬％，長(zhǎng)度為A+4，每條阻抗匹配線的左右兩邊均有一條寬度為I的間隙。
[0010]優(yōu)選的，所述狹槽分為兩組，第一組狹槽分別位于第一組的兩個(gè)扇形片狀單元上，其寬度均為ffs，長(zhǎng)度均為第二組狹槽分別位于第二組的兩個(gè)扇形片狀單元上，其寬度均為I，長(zhǎng)度均為4。
[0011]優(yōu)選的，所述AB類功率放大器與C類功率放大器均由輸入、輸出微帶端口線D1、D2，輸入、輸出隔直電容Λ、65，輸入、輸出匹配電路，功放芯片Μ1，柵極偏置電路和漏極偏置電路構(gòu)成；其中輸入微帶端口線D1接在輸入隔直電容C1的一端，輸入匹配電路連接在輸入隔直電容C1的另一端，柵極偏置電路與輸入匹配電路連接，功放芯片Ml將輸入匹配電路與輸出匹配電路相連，漏極偏置電路與輸出匹配電路連接，輸出隔直電容C5將輸出匹配電路與微帶端口線D2相連。
[0012]所述輸入、輸出端口線長(zhǎng)度均為5mm，阻抗均為50歐姆；
所述輸入匹配電路由電容Ω和微帶線混合構(gòu)成；
所述輸出匹配電路由電容63、《和微帶線混合構(gòu)成；
所述柵極偏置電路由四分之一波長(zhǎng)的微帶線、焊盤、三個(gè)柵極保護(hù)電阻，濾波去耦電容構(gòu)成，從焊盤端給柵極提供電壓VJ.’
所述漏極偏置電路由四分之一波長(zhǎng)的微帶線、焊盤、濾波去耦電容構(gòu)成，從焊盤端給漏極提供電壓沒；
所述功放芯片Ml型號(hào)為MOSFET MW6S004NT1，其中Doherty放大器的漏極偏置電壓沒為28V，漏極偏置電流為50mA，AB類功率放大器與C類功率放大器的區(qū)別在于功放芯片Ml的柵極偏置電壓KL ; 所述相位調(diào)節(jié)單元由一段50歐姆的微帶線構(gòu)成；
所述負(fù)載調(diào)制電路由一段四分之一波長(zhǎng)阻抗為50歐姆的微帶線構(gòu)成；
所述功率合成器由主放大器支路末端和輔助放大器支路末端用微帶線直接相連，在連接處接一段四分之一波長(zhǎng)阻抗為35.3歐姆的微帶線。
[0013]優(yōu)選的，所述信號(hào)屏蔽單元由良導(dǎo)體在邊緣加載金屬化過孔構(gòu)成，金屬化過孔采用微帶工藝固定在基板上，基板為介質(zhì)材料基板，其中Doherty功率放大器采用的介質(zhì)材料厚度為0.8mm的FR4材料，其介電常數(shù)為4.4，單獨(dú)的正交耦合器采用的介質(zhì)材料厚度為
0.8mm的Rogers R04003C材料，其介電常數(shù)為3.3。
[0014]優(yōu)選的，所述金屬地層為鋪滿良導(dǎo)體的金屬地層。
[0015]—種具備高效率和寬帶諧波抑制的帶通濾波Doherty放大器的仿真設(shè)計(jì)方法:首先，根據(jù)所需要的中心頻率，介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)，借助全波電磁仿真軟件設(shè)計(jì)所需的耦合因子，具有諧波抑制功能的正交耦合器；然后用電路仿真軟件中的史密斯圓圖在中心頻率下根據(jù)功放芯片Ml的輸入輸出電阻進(jìn)行阻抗匹配；再設(shè)計(jì)一個(gè)AB類功率放大器和一個(gè)C類功率放大器以及負(fù)載調(diào)制電路和功率合成器；然后把全波電磁仿真軟件仿真得到的s4p文件導(dǎo)入電路仿真仿真軟件中進(jìn)行聯(lián)合仿真。
[0016]在本案中，所述帶通濾波Doherty放大器工作在1.8GHz能夠抑制到三次諧波，效率最高能達(dá)到41.8%。最大的臨近信道衰弱比只有-40.7dBc0
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是:
(1)本發(fā)明首次提出了一種具備高效率和寬帶諧波抑制的帶通濾波Doherty放大器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)放大器效率和線性度的提高，并具有寬帶諧波抑制功能和小型化放大器。非常適合具有高傳輸速率，高峰均比的現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中。
[0018](2)本發(fā)明的特點(diǎn)還包括:1、通過調(diào)節(jié)正交耦合器可實(shí)現(xiàn)任意中心頻率輸出，任意耦合因子，和帶寬諧波抑制；2、能夠提高放大器效率，線性度；3、使系統(tǒng)小型化，易于集成；4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。
【附圖說明】