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CN114142813A - 一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片 - Google Patents

一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片 Download PDF

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CN114142813A CN202111482791.2A CN202111482791A CN114142813A CN 114142813 A CN114142813 A CN 114142813A CN 202111482791 A CN202111482791 A CN 202111482791A CN 114142813 A CN114142813 A CN 114142813A
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Abstract

本发明公开了一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，包括宽带输入功分器、载波放大电路、峰值放大电路以及后匹配网络；载波放大电路由第一输入匹配网络、驱动级载波放大器T1、第一级间匹配网络、功率级载波放大器T2、第一输出匹配网络依次级联而成；峰值放大电路由第二输入匹配网络、驱动级峰值放大器T3、第二级间匹配网络、功率级峰值放大器T4、第二输出匹配网络依次级联而成；本发明相对于传统的毫米波氮化镓单片集成Doherty功放芯片，将基波以及二次谐波匹配网络与负载调制网络融合，进一步提升功率放大器在回退区的效率，可应用到5G毫米波大规模MIMO移动通信系统中。

Description

一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片
技术领域
本发明涉及毫米波功率放大器技术领域，特别是涉及一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片。
背景技术
启用毫米波频段是5G最重要的技术革新之一。毫米波频段由于其较高的频率以及较大的损耗特性将给物理层器件的设计带来更大的挑战。除此之外，为了进一步提升频谱资源的利用率，还将使用更加复杂的高阶调制方式以及具有更多载波数目更加复杂的载波聚合技术(CarrierAggregation,CA)，这将导致调制信号的峰均比越来越高。因此，提升毫米波功率放大器在较大回退输出功率处的效率是非常有必要的。
此外，还将使用基于大规模天线阵列的大规模多入多出技术(Multiple-Inputand Multiple-Output,MIMO)以进一步提升数据的吞吐速率，同时进一步提升天线的增益以及波束汇聚的能力。4G技术中就已经开始使用MIMO技术，相比于4G中传统的MIMO技术，5G将采用具有更多天线单元更大规模的天线阵列(天线单元数≥64)，这样可以在相同的时频资源上提供大的阵列增益和多用户的空间复用功能。MIMO技术在5G中的大规模应用使得对单功放输出功率的需求降低，对功放尺寸小型化的需求提升。基于氮化镓(GaN)的高电子迁移率单片集成Doherty功放芯片是满足以上需求的最佳选择之一，因而引起了广泛关注。
为了进一步提升功率放大器的效率，通常需要对晶体管的谐波进行控制。比较常规的方法是在载波或者峰值放大器的输出匹配网络中加入LC并联谐振网络来对晶体管的二次谐波进行控制，这种方法将引入额外的器件损耗以及占用更大的面筋机。在低频时，由于频率较低，LC并联谐振网络引入的损耗尚可接受。但是在毫米波频段，这种损耗是不可接受的。使用额外的并联LC谐振网络不仅不能提升功放效率，还会导致功放功率效率特性的进一步恶化。因此，十分有必要研究出一种毫米波功率放大器来解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，用以解决背景技术中提及的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，包括：宽带输入功分器、载波放大电路、峰值放大电路以及后匹配网络；
所述宽带输入功分器，其输入端与射频信号的输入端连接，其第一输出端与所述载波放大电路的输入端连接，其第二输出端与所述峰值放大电路的输入端连接；
所述载波放大电路，其包括依次连接的：移相网络、第一输入匹配网络、驱动级载波放大器T1、第一级间匹配网络、功率级载波放大器T2、第一输出匹配网络；
所述载波放大电路，其包括依次连接的：第二输入匹配网络、驱动级峰值放大器T3、第二级间匹配网络、功率级峰值放大器T4、第二输出匹配网络；
所述后匹配网络，其输入端与所述载波放大电路以及所述载波放大电路的输出端连接，其输出端与射频信号的输出端连接。
进一步的，所述第一输出匹配网络为采用准椭圆低通滤波拓扑的阻抗变换网络，其包括：阻抗变换网络和隔直电容C3；
所述阻抗变换网络具体包括：电感L1、电感L2、电容C1、电感L3和电容C2，其中，
所述电感L1，其一端与所述功率级载波放大器T2的漏极相连，其另外一端与所述电感L2及所述电感L3的一端相连；
所述电感L2，其另一端与所述电容C1以及第二外部漏极供电Vd2相连，其中，所述电容C1并联到地；
所述电感L3，其另一端与所述电容C2以及所述隔直电容C3的一端相连，其中，所述电容C2的另一端接地，所述隔直电容C3的另一端与所述峰值放大电路的输出端以及所述后匹配网络的输入端相连。
进一步的，所述阻抗变换网络与所述功率级载波放大器T2的漏极输出电容共同组成一个特征阻抗为Ropt，电长度为90°的等效四分之一波长线；其中，Ropt为功率级载波放大器T2处于B类工作模式时饱和状态下的负载线电阻值，通过如下公式计算得到：
Figure BDA0003396004460000021
其中，VDD是晶体管的漏极供电电压，Imax是晶体管最大基波电流。
进一步的，所述第二输出匹配网络具体包括峰值输出匹配网络，以及与之连接的传统四分之一波长线TL，其中，
所述峰值输出匹配网络的结构与所述第一输出匹配网络的结构相同；
所述传统四分之一波长线TL1的特征阻抗为Ropt，电长度为90°。
进一步的，其特征在于，所述第一输入匹配网络与第一外部供电端Vg1电路连接；
所述第一级间匹配网络与第二外部供电端Vd电路以及第一外部供电端Vg1电路连接；
所述第一输出匹配网络与第二外部供电端Vd电路连接；
所述第二输入匹配网络与第三外部供电端Vg2电路连接；
所述第二级间匹配网络与第二外部供电端Vd电路以及第三外部供电端Vg2电路连接；
所述第二输出匹配网络与第二外部供电端Vd电路连接。
进一步的，其特征在于，所述驱动级载波放大器T1、所述功率级载波放大器T2、所述驱动级峰值放大器T3以及所述功率级驱动放大器T4均为高电子迁移率晶体管。
本发明的有益效果是：
1、本发明不采用额外的LC并联谐振网络即可完成对晶体管二次谐波阻抗的控制；
2、本发明将基波、二次谐波匹配网络与负载调制网络进行融合设计，进一步降低了插入损耗，缩减了芯片的尺寸面积；
3、本发明提供的基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放，回退及饱和效率高，结构紧凑，在较宽的频率范围内具有良好的Doherty特性，较小的增益波动以及较低的插入损耗，可以很好地作为毫米波功率放大器件广泛应用在第五代移动通信毫米波大规模MIMO系统中。
附图说明
图1为实施例1中提供的一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片的电路结构原理框图；
图2为实施例1中提供的功率级载波放大器T2处于饱和状态下，最佳基波负载阻抗分布区域及二次谐波负载阻抗负载牵引的仿真结果示意图；
图3为实施例1中提供的第一输出匹配网络阻抗随频率变化的仿真结果示意图；
图4为实施例1中提供的第一输出匹配网络与功率级载波放大器T2的漏极输出电容组成的等效四分之一波长线，其相位特性随频率变化的仿真结果示意图；
图5为实施例1中提供的一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，其饱和功率、效率以及回退效率随频率变化的实测曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图5，本实施例中提供一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，该功放芯片具体包括：
宽带输入功分器，其输入端与射频信号输入端连接；
载波放大电路，其输入端与宽带输入功分器的第一输出端连接；该载波放大电路主要由移相网络、第一输入匹配网络、驱动级载波放大器T1、第一级间匹配网络、功率级载波放大器T2、第一输出匹配网络依次级联而成；
峰值放大电路，其输入端与宽带输入功分器的第二输出端连接；峰值放大电路主要由第二输入匹配网络、驱动级峰值放大器T3、第二级间匹配网络、功率级峰值放大器T4、第二输出匹配网络依次级联而成；
后匹配网络，载波放大电路的输出端与峰值放大电路的输出端合路后，与后匹配网络的输入端连接；后匹配网络的输出端与射频信号的输出端连接。
图中的RF IN为射频输入，即对应文中的射频信号输入端；图中的RF OUT为射频输出，即对应文中的射频输出端。
具体的说，在本实施例中，第一输出匹配网络为采用准椭圆低通滤波拓扑的阻抗变换网络，其包括主要由电感L1、电感L2、电容C1、电感L3和电容C2组成的阻抗变换网络，以及隔直电容C3；串联电感L1的一端与功率级载波放大器T2的漏极相连，另一端与电感L2及电感L3的一端相连；电感L2的另一端与并联到地电容C1以及第二外部漏极供电Vd2相连；电感L3的另一端与并联电容C2以及隔直电容C3的一端相连，并联电容C2的另一端接地，隔直电容C3的另一端与峰值放大电路的输出端以及后匹配网络的输入端相连。
具体的说，在本实施例中，准椭圆低通滤波阻抗匹配网络可以将负载阻抗匹配至功率级载波放大器T2基波及二次谐波所需的最佳阻抗区域；
具体的说，在本实施例中，准椭圆低通滤波阻抗匹配网络与功率级载波放大器T2的漏极输出电容共同组成一个特征阻抗为Ropt，电长度为90°的等效四分之一波长线；其中，Ropt为功率级载波放大器T2处于B类工作模式时饱和状态下的负载线电阻值。
具体的说，在本实施例中，第二输出匹配网络由峰值输出匹配网络与传统四分之一波长线TL1级联而成；峰值输出匹配网络与第一输出匹配网络相同；传统四分之一波长线TL1的特征阻抗为Ropt，电长度为90°。
具体的说，在本实施例中，第一输入匹配网络与第一外部供电端Vg1电路连接；第一级间匹配网络与第二外部供电端Vd电路以及第一外部供电端Vg1电路连接；第一输出匹配网络与第二外部供电端Vd电路连接；第二输入匹配网络与第三外部供电端Vg2电路连接；第二级间匹配网络与第二外部供电端Vd电路以及第三外部供电端Vg2电路连接；第二输出匹配网络与第二外部供电端Vd电路连接。
具体的说，在本实施例中，驱动级载波放大器T1、功率级载波放大器T2、驱动级峰值放大器T3以及功率级驱动放大器T4均为高电子迁移率晶体管。
为了验证本实施例方法的优越性，本实施还进行了仿真实验，具体的仿真结果如图2-图5所示，具体的说：
图2是功率级载波放大器T2基波及二次谐波负载牵引的仿真结果。图中实线是最佳基波负载阻抗的分布区域，虚线是二次谐波负载牵引等效率曲线，点划线是二次谐波负载牵引等输出功率曲线。
图3是基于准椭圆低通滤波拓扑的第一输出匹配网络的阻抗曲线仿真结果。从图3可以看出，该网络可以将负载阻抗变换至功率级载波放大器T2基波及二次谐波阻抗所需的最佳阻抗区域。
图4是第一输出匹配网络与功率级载波放大器T2的漏极输出电容组成的等效四分之一波长线的相位仿真结果。可以看出，在中心频率26GHz处，第一输出匹配网络与功率级载波放大器T2的漏极输出电容组成的网络的相移是-90°。
图5为本具体实施方式中Doherty功放芯片的大信号特性测试结果。本具体实施方式的Doherty功放芯片的中心频率为26GHz，带宽为4GHz，全频带饱和功率为35.4-36dBm，饱和效率为27.8-36.8％。6-dB回退效率为18.1-30.1％。低功率区的功率增益大于14.9dB。仿真结果与测试结果具有良好的一致性。
因此，综上所述，本发明提供的一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，其回退及饱和效率高，结构紧凑，在较宽的频率范围内具有良好的Doherty特性，较小的增益波动以及较低的插入损耗，可以很好地作为毫米波功率放大器件广泛应用在第五代移动通信毫米波大规模MIMO系统中。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，其特征在于，包括：宽带输入功分器、载波放大电路、峰值放大电路以及后匹配网络；
所述宽带输入功分器，其输入端与射频信号的输入端连接，其第一输出端与所述载波放大电路的输入端连接，其第二输出端与所述峰值放大电路的输入端连接；
所述载波放大电路，其包括依次连接的：移相网络、第一输入匹配网络、驱动级载波放大器T1、第一级间匹配网络、功率级载波放大器T2、第一输出匹配网络；
所述载波放大电路，其包括依次连接的：第二输入匹配网络、驱动级峰值放大器T3、第二级间匹配网络、功率级峰值放大器T4、第二输出匹配网络；
所述后匹配网络，其输入端与所述载波放大电路以及所述载波放大电路的输出端连接，其输出端与射频信号的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，其特征在于，所述第一输出匹配网络为采用准椭圆低通滤波拓扑的阻抗变换网络，其包括：阻抗变换网络和隔直电容C3；
所述阻抗变换网络具体包括：电感L1、电感L2、电容C1、电感L3和电容C2，其中，
所述电感L1，其一端与所述功率级载波放大器T2的漏极相连，其另外一端与所述电感L2及所述电感L3的一端相连；
所述电感L2，其另一端与所述电容C1以及第二外部漏极供电Vd2相连，其中，所述电容C1并联到地；
所述电感L3，其另一端与所述电容C2以及所述隔直电容C3的一端相连，其中，所述电容C2的另一端接地，所述隔直电容C3的另一端与所述峰值放大电路的输出端以及所述后匹配网络的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，其特征在于，所述阻抗变换网络与所述功率级载波放大器T2的漏极输出电容共同组成一个特征阻抗为Ropt，电长度为90°的等效四分之一波长线；其中，Ropt为功率级载波放大器T2处于B类工作模式时饱和状态下的负载线电阻值，通过如下公式计算得到：
Figure FDA0003396004450000011
其中，VDD是晶体管的漏极供电电压，Imax是晶体管最大基波电流。
4.如权利要求1所述的一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，其特征在于，所述第二输出匹配网络具体包括峰值输出匹配网络，以及与之连接的传统四分之一波长线TL，其中，
所述峰值输出匹配网络的结构与所述第一输出匹配网络的结构相同；
所述传统四分之一波长线TL1的特征阻抗为Ropt，电长度为90°。
5.如权利要求1所述的一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，其特征在于，所述第一输入匹配网络与第一外部供电端Vg1电路连接；
所述第一级间匹配网络与第二外部供电端Vd电路以及第一外部供电端Vg1电路连接；
所述第一输出匹配网络与第二外部供电端Vd电路连接；
所述第二输入匹配网络与第三外部供电端Vg2电路连接；
所述第二级间匹配网络与第二外部供电端Vd电路以及第三外部供电端Vg2电路连接；
所述第二输出匹配网络与第二外部供电端Vd电路连接。
6.如权利要求1所述的一种基于准椭圆低通滤波结构的毫米波Doherty功放芯片，其特征在于，所述驱动级载波放大器T1、所述功率级载波放大器T2、所述驱动级峰值放大器T3以及所述功率级驱动放大器T4均为高电子迁移率晶体管。
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