[發(fā)明專利]一種太赫茲頻段階梯型偏置多合體功率放大器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011103435.0
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112367053A
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發(fā)明（設計）人: 馬建國;柴園君
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H03F1/02
• 分類號: H03F1/02;H03F1/56;H03F3/68;H03F3/21
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 吳學穎

本發(fā)明公開了一種太赫茲頻段階梯型偏置多合體功率放大器，包括功率分配器、三級主功放、三級輔功放、功率合成器以及輸出端L型阻抗變換網(wǎng)絡；功率分配器由一號變壓器構成；三級主功放包括依次連接的一號主功率放大器、二號變壓器、二號主功率放大器、三號變壓器、三號主功率放大器；三級輔功放包括依次連接的一號輔功率放大器、五號變壓器、二號輔功率放大器、六號變壓器、三號輔功率放大器；功率合成器由四號變壓器和七號變壓器構成；輸出端L型阻抗變換網(wǎng)絡包括一號傳輸線、二號傳輸線、負載。本發(fā)明可以提高輔功放一路的增益、飽和輸出功率以及飽和輸出電流，使得太赫茲頻段多級Doherty功放負載調制更優(yōu)，并提高Doherty功率放大器的綜合性能。

技術領域

本發(fā)明屬于無線通信功率放大器領域，更具體的說，是涉及一種太赫茲頻段階梯型偏置多合體功率放大器。

背景技術

在2019年的美國紐約布魯克林5G高峰會(Brooklyn 5G Summit)上，紐約大學(NYU)教授Ted Rappaport的簡報介紹了在大概2030年到2035年之間會變成6G技術的初步研究[1]。5G使用毫米波進行通信，而6G有望使用太赫茲技術，這將大大提升6G網(wǎng)絡的網(wǎng)絡容量及網(wǎng)絡速度。同時，相對于現(xiàn)有微波毫米波通信頻段的頻譜，太赫茲頻段具有海量的頻譜資源，可用于超寬帶超高速無線通信。而現(xiàn)代通信標準的通信信號通常具有較高的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)。具有高PAPR的信號對通信系統(tǒng)尤其是功率放大器提出了較高的要求，其要求功率放大器在功率回退區(qū)域仍然具有較高的效率。傳統(tǒng)的A類或者AB類功率放大器達到飽和時，功率附加效率(Power Added Efficiency,PAE)也達到最大值，功率回退6dB甚至更多時，功率放大器PAE大幅度降低，大部分以熱能的形式散失，這造成了能源的浪費，且給整個通信系統(tǒng)的散熱造成了極大的負擔，嚴重影響了系統(tǒng)的性能。所以傳統(tǒng)A類或者AB類功率放大器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的要求。為了提高功率放大器在輸出功率回退區(qū)域的效率，國內(nèi)外研究人員提出了各種方案，其中Doherty功率放大器是一種較為容易實現(xiàn)并具有競爭力的技術，相比于其他技術，例如包絡跟蹤、可重構技術等，其結構簡單，不需要額外的控制電路，不會受到控制電路的帶寬限制。

而使用硅基工藝在太赫茲頻段進行DPA的設計要面臨諸多挑戰(zhàn)：例如功放的性能將受到晶體管功率增益和低擊穿電壓的限制，導致放大器具有較低的增益和輸出功率[3]；此外無源器件的的損耗也降低了太赫茲頻段功率放大器的增益。對于DPA來說，偏置在C類的輔功放在此頻段增益更低，且其飽和輸出功率與飽和輸出電流與偏置在A/AB類的主功放相差更大，這惡化了DPA的負載調制，嚴重降低了太赫茲頻段DPA的性能。在毫米波Doherty功放設計上，Shichang Chen在輔PA上采用新型自適應偏置電路來動態(tài)調整峰值PA的偏置電壓，以解決由C類偏置條件帶來的低增益問題[4],YenChih Chen同樣在DPA功率級中的輔功放柵極偏置上使用自適應偏置電路[5],提高輔功放在高功率區(qū)域內(nèi)的增益、飽和輸出功率以及輸出電流；Dong Chen設計了工作在60GHz的非對稱DPA，其輔功放一路晶體管尺寸大于主功放一路晶體管尺寸，且其使峰值功放一路中驅動級柵極偏置在深C類，功率級柵極偏置在淺C類，以此來提高輔功放一路的增益、飽和輸出功率以及飽和輸出電流[6]。自適應偏置電路可以較好的提高輔功放一路的增益、輸出功率以及飽和輸出電流，但是其增加了電路的復雜性；非對稱DPA的設計同樣可以緩解毫米波DPA輔功放因偏置在C類而帶來的問題，但功率級的大尺寸輔功放會帶來相對較大的阻抗變換比，且其會導致DPA功率放大器主/輔功放輸出端版圖的不對稱，帶來主/輔功放兩路信號在功率合成點相位不一致等的問題，進而降低DPA的性能。

綜上所述，在太赫茲頻段進行DPA的設計，需要提出一種新的方案，來解決輔功放一路因偏置在C類而帶來的低增益、低飽和輸出功率以及低飽和輸出電流的問題。

參考文獻：