陶赫蒂Doherty功率放大器、通信设备及系统

摘要

本发明实施例涉及一种陶赫蒂Doherty功率放大器，包括：主功率放大电路、辅功率放大电路、连接电路、阻抗变换电路；其中，主功率放大电路的输出端与辅功率放大电路的输出端分别通过键合线连接到连接电路的两端，辅功率放大电路的输出端还通过键合线连接到阻抗变换电路的一端，阻抗变换电路的另一端与输出负载连接。本发明实施例通过将两个功率管的管芯中的漏极与源极之间的寄生电容Cds与PCB直接连接来构成阻抗变换电路，从而可以省去现有Doherty功率放大器中的输出匹配的电路，达到减小Doherty功率放大器的面积的效果。

说明书

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陶赫蒂 Doherty功率放大器、 通信设备及系统 技术领域

本发明涉及电路领域， 具体而言， 涉及陶赫蒂 Doherty功率放大器 (PA, power amplifier), 通信设备及系统。 背景技术

Doherty功率放大器是一种高效率的功率放大器（本申请中，可简写为功 放）。 Doherty功率放大器通常由均值功放（也称为主功放）和峰值功放（也 称为辅 （助 ) 功放）构成。

一种典型的 Doherty功率放大器，如图 1所示，包括一个均值功率管（ ower transistor )和一个峰值功率管， 该均值功率管和该峰值功率管的输出端分别 连接输出匹配电路。 均值功率管的输出端连接的输出匹配电路的输出端连接 λ /4传输线的一端， 且该 λ /4传输线的另一端与峰值功率管的输出端连接的 输出匹配电路的输出端经功率合成后， 连接到另一 λ /4传输线的一端， 该另 一 λ /4传输线的另一端连接 50欧姆（ohm ) 的电缆等传输线路。 这里， 均值 功率管和峰值功率管可以是同一型号的功率管，也可以是功率等级不一样的 有源管芯（die, 本申请中可简称为管芯）、 键合线（ bonding Wire )和法兰盘 ( flange )。 其中， 法兰盘为射频功率放大通道的基底； 有源管芯用于对射频 信号进行放大，键合线用于将有源管芯与射频功率放大通道的输入端或输出 端进行连接，射频功率放大通道的输入端或输出端为该封装件的输入或输出 引脚。 该封装件通过输入或输出引脚与外围电路， 如输出匹配电路， 相连。

由上可知，在典型的 Doherty功率放大器中，需要输出匹配电路以及由 λ /4传输线实现的阻抗变换电路。 但是， 由于输出匹配电路以及 λ /4传输线的 面积均较大， 从而导致 Doherty功率放大器的面积较大。 发明内容

本发明提出了 Doherty功率放大器， 旨在解决如何有效减小 Doherty功 率放大器的面积的问题。

第一方面， 提出了一种陶赫蒂 Doherty功率放大器， 包括： 主功率放大 电路、 辅功率放大电路、 连接电路、 阻抗变换电路； 其中， 所述主功率放大 电路的输出端与所述辅功率放大电路的输出端分别通过键合线连接到所述 连接电路的两端， 所述辅功率放大电路的输出端还通过键合线连接到所述阻 抗变换电路的一端， 所述阻抗变换电路的另一端与输出负载连接。

结合第一方面， 在第一方面的第一实施方式中， 所述主功率放大电路中 的有源管芯的漏极与源极之间的寄生电容（Cds ), 所述连接电路和所述辅功 率放大电路中的 Cds形成用于实现阻抗变换功能的 π型网络。

结合第一方面或第一方面的第一实施方式，在第一方面的第二实施方式 中， 所述主功率放大器电路包括第一有源管芯 (die); 所述辅功率放大器电路 包括第二有源管芯 (die)。

结合第一方面的第二实施方式， 在第一方面的第三实施方式中， 所述主 功率放大器电路中的第一 die与所述辅功率放大器电路中的第二 die属于功 率等级不同的 die。

结合第一方面的第二实施方式， 在第一方面的第四实施方式中， 所述主 功率放大器电路中的第一 die与所述辅功率放大器电路中的第二 die属于功 率等级不同的 die。

结合第一方面及其各个实施方式， 在第一方面的第五实施方式中， 所述 连接电路包括一段第一传输线， 或者所述连接电路包括两两之间通过键合线 连接的多段第三传输线。

结合第一方面及其各个实施方式， 在第一方面的第六实施方式中， 所述 阻抗变换电路包括一段第二传输线，或两两之间通过键合线连接的多段第四 传输线。

结合第一方面的第四、 第五或第六实施方式， 在第一方面的第七实施方 式中， 所述连接电路与所述主功率放大电路的输出端连接的一端连接第五传 输线。

结合第一方面的第四、 第五或第六实施方式， 在第一方面的第八实施方 式中， 所述连接电路与所述主功率放大电路的输出端连接的一端通过一个第 一电容或并联的多个第一电容接地。

结合第一方面及其各个实施方式， 在第一方面的第九实施方式中， 还包 括： 二次谐波短路电路， 所述连接电路通过所述二次谐波短路电路接地， 其 中所述二次谐波短路电路接入所述连接电路的位置根据所述主功率放大电 路所需的谐波角度确定。

结合第一方面的第九实施方式， 在第一方面的第十实施方式中， 所述二 次谐波短路电路包括串联的一段 λ /4传输线与一个第二电容。

结合第一方面的第十实施方式， 在第一方面的第十一实施方式中， 所述 二次谐波短路电路还包括一个第三电容，所述第三电容接在 λ /4传输线上将 所述通过 λ /4传输线分为两段。

结合第一方面的第一至第十一实施方式中的任一种，在第一方面的第十 二实施方式中， 所述主功率放大器电路还包括与所述第一 die 匹配的法兰 ( flange ) ; 所述辅功率放大器电路还包括与所述第二 die 匹配的法兰 ( flange )。

第二方面， 提出了一种发信机， 包括如上第一方面或第一方面的各个实 施方式中任一种中所提供的 Doherty功率放大器。

第三方面， 提出了一种基站， 包括如上第二方面提供的发信机。

本发明实施例通过将两个功率管的管芯中的漏极与源极之间的寄生电 容 Cds与印刷电路板 ( PCB, printed circuit board )传输线直接连接来构成阻 抗变换电路， 从而可以省去现有 Doherty功率放大器中的输出匹配的电路， 最终达到减小 Doherty功率放大器的面积的效果。 附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案， 下面将对本发明实施例或 现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面所描述的附 图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创 造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1示出了现有技术的 Doherty功率放大器；

图 2示出了功率管的管芯的等效电路；

图 3a示出了功率管的管芯在工作时的等效电路；

图 3b示出了根据本发明一个实施例的 Doherty功率放大器的等效电路； 图 4示出了根据本发明一个实施例的 Doherty功率放大器；

图 5示出了 1/4波长 ( λ /4 )传输线的 π型网络电路；

图 6示出了根据本发明另一实施例的 Doherty功率放大器；

图 7示出了根据本发明另一实施例的 Doherty功率放大器； 图 8示出了根据本发明另一实施例的 Doherty功率放大器； 图 9示出了根据本发明另一实施例的 Doherty功率放大器；

图 10示出了根据本发明另一实施例的 Doherty功率放大器。 具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例是本发明的一部分实施例， 而不 是全部实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创 造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例， 都应属于本发明保护的范围。

由于现有的典型 Doherty功率放大器采用封装件， 输出匹配电路与 λ /4 传输线来构成， 导致 Doherty 功率放大器面积较大。 而本发明实施例的 Doherty功率放大器利用功率管的管芯的特点， 寻找如何减小 Doherty功率 放大器的面积的解决方案。

具体而言，功率管的管芯的等效电路如图 2所示，管芯包括有栅极 (gate)、 漏极 (drain)和源极 (source)。 其中， Rg是功率管的管芯的栅极寄生电阻。 gm 是功率管的管芯的跨导， Cgs是功率管的管芯的栅极与源极之间的寄生电容， Cds是功率管的管芯的漏极与源极之间的寄生电容。

从输出端看， 功率管的管芯在工作时的等效电路如图 3所示， 相当于输 出阻抗 Ropt并联 Cds。 这里， 输出阻抗 Ropt是功率管工作时的输出阻抗， 对于大功率管来说通常只有几欧姆。

现有的 Doherty功率放大器需要将均值功放和峰值功放的 die的阻抗（通 常为很低的复数阻抗， 如 l+j*2ohm ) 匹配到 50 ohm, 然后再将均值功放和 峰值功放的输出进行合路， 而在合路前， 通常在均值功放的输出匹配后再加 上一段 1/4波长（ 90度）的阻抗变换线， 然后再做均值功放和峰值功放输出 的功率合成。 本发明实施例中， 利用 die的 Cds, 将均值功放和峰值功放 die 的 Cds加上一段传输线构成一个 π型网络（指两个并联的器件中间加一个器 件或者一段传输线的网络）， 该 π型网络整体实现阻抗变换作用。 可以将均 值功放和峰值功放 die的 Cds看成是均值输出支路的阻抗变换功能部件的一 部分， 即相当于均值功放和峰值功放 die模型等效成只有 Ropt, 从而均值功 放和峰值功放可以直接在 Ropt阻抗上合路（如图 3a和 3b所示， Cds的右侧 和 Ropt的中间没有任何电路， 是属于同一点）， 这样， 就可以将均值功放和 峰值功放在 die上直接合路，省去了将 die的阻抗匹配到较高阻抗，如 50ohm 的输出匹配电路， 减小了 Doherty功率放大电路的面积。 此外， 由于 π型网 络中的传输线是和 Cds配合实现阻抗变换功能的， 较现有的通过 1/4波长传 输线来实现阻抗变换功能， π型网络中的传输线的长度可以小于 1/4波长， 进一步可以减小 Doherty功率放大电路的面积。

以下将结合图 4, 详细描述根据本发明实施例的 Doherty功率放大器。 该 Doherty功率放大器 1包括主功率放大电路 11、辅功率放大电路 12、连接 电路 13和阻抗变换电路 14。其中， 主功率放大电路 11可以为宽带主功率放 大电路， 辅功率放大电路也可以为宽带辅功率放大电路。 这里的宽带的含义 通常所指为较宽带宽的含义， 是一个相对的概念。 主功率放大电路 11 的输 出端与辅功率放大电路 12的输出端分别通过键合线 （ Bonding Wire ) 101、 102连接到所述连接电路 13的两端， 并且辅功率放大电路 12的输出端还通 过键合线 103连接到阻抗变换电路 14的一端， 而阻抗变换电路 14的另一端 与输出负载 15连接。 通常， 键合线 101、 102和 103在 10吉赫兹（GHz ) 以下表现为电感特性。

所述主功率放大电路中的有源管芯的漏极与源极之间的寄生电容 ( Cds ),所述连接电路和所述辅功率放大电路中的 Cds形成用于实现阻抗变 换功能的 π型网络。 该阻抗变换功能为 90度阻抗变换功能， 可以等效为一 段 λ /4传输线。

连接电路 13包括传输线。 该传输线可以为 PCB传输线， PCB传输线是 一种以 PCB 为载体的传输线形式， 其主要特性包括特征阻抗、 相位、 损耗 等。 在电路中实现信号传输以及阻抗变换的作用。 常用的 PCB传输线可以 在如罗杰斯 RO4350B等板材上实现。

为了方便描述， 图 4仅仅示意性地示出了 Doherty功率放大器的一种结 构图。 其中， 主功率放大电路 11 包括 die (第一 die ), 辅功率放大电路 12 包括 die (第二 die ), 连接电路 13包括一段第一传输线 201 , 该第一传输线 201可以为电阻性的传输线， 如 PCB传输线， 阻抗变换电路 14包括一段第 二传输线 202, 如 PCB传输线。 其中， 第二传输线 202可以是 λ /4传输线。 第一传输线的长度可以比 λ /4小， 具体可以根据图 3a和图 3b所示的模型进 行仿真或推算在 π型网络整体实现 90度阻抗变换功能时该第一传输线所需 的长度。具体的仿真或推算方式可以参考现有技术中的方式，在此不予贅述， 也可以不予限定。 可选的， 主功率放大电路和辅功率放大电路中的至少一个 还可以包括 flange, 用于作为 die的基底。

由于 Doherty功率放大器中的 1/4波长（ λ /4 )传输线可以用 π型网络 (如图 5所示）来替代，其原理为 π型网络可以在阻抗不变的情况下实现 90 度相移。 在图 5中， 两个电容 C11和 C12与 PCB传输线形成了作为阻抗变 换结构的 π型网络， 可以省去现有 Doherty功率放大器中与均值功率管和峰 值功率管相连的输出匹配电路， 并替代现有 Doherty功率放大器中与均值功 率管相连的 λ /4传输线实现阻抗变换功能。

本发明实施例的 Doherty功率放大器直接从功率管的管芯层面考虑， 第 一功率管和第二功率管均不需要任何输出匹配， 直接在输出阻抗 Ropt上功 率合成，而第一功率管的管芯中的 Cdsl与第二功率管的管芯中的 Cds2以及 连接电路 13中的一段第一传输线 201替代现有 Doherty功率放大器中的 λ /4 传输线。 这样， 首先， 本发明实施例的 Doherty功率放大器可以省去大面积 的输出匹配； 其次， 第一传输线 201不需要 λ /4长， 可以减小面积。

容易理解， 主功率放大电路 11还可以包括并联的多个第一 die, 辅功率 放大器电路 12也同样可以包括并联的多个第二 die。 多个第一 die并联可以 增大主功率放大电路 11的输出功率， 同样地， 多个第二 die并联可以增大辅 功率放大电路 12的输出功率。 die的并联可以通过每个 die和相应的传输线 之间通过键合线的连接来实现。 可以理解的是， 在主功率放大电路中， 并联 的多个 die的功率等级可以根据实际需要进行选用， 可以都相同， 也可以都 不同， 还可以部分相同， 对辅功率放大电路中并联的多个 die也是如此。 此 夕卜， 在需要的情况下， 主功率放大电路和辅功率放大电路中的至少一个还可 以设计为 die的串并联结构， 串联的 die之间采用键合线进行连接， 串联的 die之间的功率等级也可以根据实际需要选用， 可以相同， 也可以不同， 在 此可以不予限定。

此外， 主功率放大器电路 11中的第一 die与辅功率放大器电路 12中的 第二 die可以属于同一型号 die。 或者， 主功率放大器电路 11 中的第一 die 与辅功率放大器电路 12中的第二 die可以属于功率等级不同的 die。 主功率 放大器电路 11中的第一 die的个数与辅功率放大器电路 12中的第二 die的 个数也可以不同。当主功率放大器电路 11中的第一 die的个数和功率等级中 的至少一个与辅功率放大器电路 12中的第二 die的均相等， 则 Doherty功率 放大器为对称 Doherty功率放大器， 否则为非对称 Doherty功率放大器。 此外， 为了进一步减小 Doherty功率放大器的面积， 可以将图 4中的第 一传输线 201分成多段第三传输线 203 , 其中两段传输线 203之间采用键合 线 104连接， 如图 6所示。 同理， 还可以将图 4中的第二传输线 202分成多 段第四传输线， 其两两之间由键合线连接（未示出）。 具体的， 每段传输线 的长度可以根据实际需要进行设计， 可以参考现有技术中的方法， 在此不予 贅述， 也不予限定。

对于非对称 Doherty功率放大器而言， 由于 Cdsl的值会小于 Cds2, 因 此可以考虑补偿 Cdsl的值。 例如， 可以在键合线 101与连接电路 13中的第 一传输线 201之间连接第五传输线 205 ,其中第五传输线 205的另一端悬空， 如图 Ί所示。 或者， 例如， 可以在键合线 101与连接电路 13中的第一传输 线 201之间连接一个第一电容 C1 , 该第一电容 C1的另一端接地， 如图 8所 示。 或者， 可以在键合线 101与连接电路 13中的第一传输线 201之间连接 并联的多个第一电容 C1 , 其中第一电容的另一端接地（未示出）。 具体的， 每段传输线的长度， 或是第一电容的电容值， 可以根据实际需要进行设计， 可以参考现有技术中的方法， 在此不予贅述， 也不予限定。

进一步地， 本发明实施例的 Doherty功率放大器还可以包括二次谐波短 路电路 16,所述连接电路 13通过所述二次谐波短路电路 16接地，其中所述 二次谐波短路电路 16接入所述连接电路 13的位置根据所述主功率放大电路 11所需的谐波角度确定， 可以参考现有技术中的方式， 在此不予贅述， 也不 予限定。 例如， 功率管的管芯需要二次谐波短路状态， 则从二次谐波短路电 路开始到功率管的管芯之间的电路相位要刚好使得功率管的管芯往输出方 向看是短路状态。

在一种实施方式中， 二次谐波短路电路 16可以包括串联部分： λ /4传 输线 301与第二电容 C2, 该串联部分的另一端接地， 如图 9所示。

或者， 在另一种实施方式中， 二次谐波短路电路 16可以包括串联部分： λ /4传输线 301和第二电容 C2, 该串联部分的另一端接地， 以及第三电容 C3 , 其中， λ /4传输线 301通过第三电容 C3接地。 如图 10所示， 第三电 容 C3接在 λ /4传输线 301的上， 其接入点将 λ /4传输线 301分为两段。 这 种实施方式中， 第三电容 C3可以缩短 λ /4传输线 301的长度， 从而减小二 次谐波短路电路 16所占的面积。 具体的， 电容的电容值可以根据实际需要 进行设计， 可以参考现有技术中的方法， 在此不予贅述， 也不予限定。

这样，二次谐波短路电路 16就使得本发明实施例的 Doherty功率放大器 实现二次谐波短路， 同时也实现了供电。

本发明实施例通过将两个功率管的管芯中的漏极与源极之间的寄生电 容 Cds与传输线直接连接来构成阻抗变换电路， 从而可以省去现有 Doherty 功率放大器中的输出匹配的电路， 最终达到减小 Doherty功率放大器的面积 的效果。

本发明实施例还提供一种发信机， 包括如上实施例所提供的任意一种 Doherty功率放大器。 该发信机可以应用于无线通信领域， 也可以应用于雷 达系统。

本发明实施例提供一种包括如上发信机的通信设备，该通信设备可以为 基站。 该基站的无线接入技术（ RAT, radio access technology )可以不予限定。

在本发明实施例中， "多个" 是指的至少两个的含义。

应理解， 本发明的每个权利要求所叙述的方案也应看做是一个实施例， 并且是权利要求中的特征是可以结合的，如本发明中的判断步骤后的执行的 不同分支的步骤可以作为不同的实施例。

本领域普通技术人员可以意识到， 结合本文中所公开的实施例描述的各 示例的单元及算法步骤， 能够以电子硬件、 或者计算机软件和电子硬件的结 合来实现。 这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行， 取决于技术方案的特 定应用和设计约束条件。 专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方 法来实现所描述的功能， 但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中， 应该理解到， 所揭露的系统、 装置和 方法， 可以通过其它的方式实现。 例如， 以上所描述的装置实施例仅仅是示 意性的， 例如， 所述单元的划分， 仅仅为一种逻辑功能划分， 实际实现时可 以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个 系统， 或一些特征可以忽略， 或不执行。 另一点， 所显示或讨论的相互之间 的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口， 装置或单元的间接耦合 或通信连接， 可以是电性， 机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作 为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元， 即可以位于一个地方， 或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或 者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外， 在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元 中， 也可以是各个单元单独物理存在， 也可以两个或两个以上单元集成在一 个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使 用时， 可以存储在一个计算机可读取存储介质中。 基于这样的理解， 本发明 的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部 分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质 中， 包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机， 服务器， 或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。 而前 述的存储介质包括: U盘、移动硬盘、只读存储器（ ROM, Read-Only Memory )、 随机存取存储器（RAM, Random Access Memory ), 磁碟或者光盘等各种可 以存储程序代码的介质。

以上所述， 仅为本发明的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限 于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易 想到变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本发明的保护 范围应所述以权利要求的保护范围为准。