功率放大器架构和电路板

技术领域

本申请实施例涉及放大器电路领域，特别涉及一种功率放大器架构和电路板。

背景技术

随着5G商用持续推进，加上3G和4G通信的各个频带，各通信运营商可用无线通信频带越来越多。为满足单个小区覆盖需求，单一站点的基站数量越来越多，运营成本持续增加。为降低运营成本，简化部署过程，降低部署难度，各运营商积极推动无线基站的共建共享，因此，基站中的宽带功放架构受到越来越多的重视。为保证基站的覆盖范围，一般需要保证每1MHz通信频谱具有2W左右的发射功率。因此，宽带需求同时伴随着大功率需求。

目前，基站中的功放模块一般采用的是Doherty功放架构模式，为了满足高发射功率需求，一般还会采用Doherty合路的方式，但引入Doherty的合路结构会一定程度上限制工作带宽。

发明内容

本申请实施例的主要目的在于提出一种功率放大器架构和电路板。从而在保证带宽一定的基础上使得宽带功率有效提升，实现宽带更为广泛的应用。

为实现上述目的，本申请实施例提供了一种单输入功率放大器架构，包括第一传输路径，所述第一传输路径包括和控制功率放大器和第一功分器，所述控制功率放大器的输出端连接于所述第一功分器的输入端；N个第二传输路径，每个所述第二传输路径包括平衡功率放大器、第二功分器及第三功分器；两个所述平衡功率放大器的输入端与所述第二功分器的两个输出端分别对应连接，两个所述平衡功率放大器的输出端与所述第三功分器的第一输入端、第二输入端分别对应连接；N个所述第二传输路径中的所述第三功分器的第三输入端与所述第一功分器的N个输出端分别对应连接；其中，N为大于或等于1的整数具有N个输入端的合路器，所述合路器的N个输入端与N个所述第二传输路径中的所述第三功分器的输出端分别对应连接；具有N个输出端的第四功分器，所述第四功分器的N个输出端与N个所述第二传输路径中的所述第二功分器的输入端分别对应连接；第五功分器，所述第五功分器的第一输出端与所述控制功率放大器的输入端连接，所述第五功分器的第二输出端与所述第四功分器的输入端连接；其中，所述功率放大器架构具有一个输入端，所述第五功分器的输入端作为所述功率放大器架构的输入端；所述合路器的输出端为所述功率放大器架构的输出端。

为实现上述目的，本申请实施例还提供一种双输入功率放大器架构，包括第一传输路径，所述第一传输路径包括和控制功率放大器和第一功分器，所述控制功率放大器的输出端连接于所述第一功分器的输入端；N个第二传输路径，每个所述第二传输路径包括平衡功率放大器、第二功分器及第三功分器；两个所述平衡功率放大器的输入端与所述第二功分器的两个输出端分别对应连接，两个所述平衡功率放大器的输出端与所述第三功分器的第一输入端、第二输入端分别对应连接；N个所述第二传输路径中的所述第三功分器的第三输入端与所述第一功分器的N个输出端分别对应连接；其中，N为大于或等于1的整数具有N个输入端的合路器，所述合路器的N个输入端与N个所述第二传输路径中的所述第三功分器的输出端分别对应连接；具有N个输出端的第四功分器，所述第四功分器的N个输出端与N个所述第二传输路径中的所述第二功分器的输入端分别对应连接；第五功分器，所述第五功分器的第一输出端与所述控制功率放大器的输入端连接，所述第五功分器的第二输出端与所述第四功分器的输入端连接；其中，所述功率放大器架构具有两个输入端，所述控制功率放大器的输入端作为所述功率放大器架构的所述两个输入端中的一个输入端，所述第四功分器的输入端作为所述功率放大器架构的所述两个输入端中的另一个输入端；所述合路器的输出端为所述功率放大器架构的输出端。

为实现上述目的，本申请实施例还提供一种三输入功率放大器架构，包括第一传输路径，所述第一传输路径包括和控制功率放大器和第一功分器，所述控制功率放大器的输出端连接于所述第一功分器的输入端；N个第二传输路径，每个所述第二传输路径包括平衡功率放大器、第二功分器及第三功分器；两个所述平衡功率放大器的输入端与所述第二功分器的两个输出端分别对应连接，两个所述平衡功率放大器的输出端与所述第三功分器的第一输入端、第二输入端分别对应连接；N个所述第二传输路径中的所述第三功分器的第三输入端与所述第一功分器的N个输出端分别对应连接；其中，N为大于或等于1的整数具有N个输入端的合路器，所述合路器的N个输入端与N个所述第二传输路径中的所述第三功分器的输出端分别对应连接；具有N个输出端的第四功分器，所述第四功分器的N个输出端与N个所述第二传输路径中的所述第二功分器的输入端分别对应连接；第五功分器，所述第五功分器的第一输出端与所述控制功率放大器的输入端连接，所述第五功分器的第二输出端与所述第四功分器的输入端连接；其中，所述功率放大器架构具有N+1个输入端，所述控制功率放大器的输入端作为所述功率放大器架构的所述N+1个输入端中的一个输入端，N个所述第二功分器的输入端分别作为所述功率放大器架构的所述N+1个输入端中的N个输入端；所述合路器的输出端为所述功率放大器架构的输出端。

为实现上述目的，本申请实施例还提供一种电路板，包括功率放大器架构；所述电路板应用到上述任一项所述的功率放大器架构。

本申请提出的功率放大器架构，第一传输路径和第二传输路径中的功分器将两者较好地解耦，使得第一传输路径中控制功率放大器的阻抗基本不受第二传输路径中平衡功率放大器的牵引，从而不管输入信号如何变化，控制功率放大器始终能跟电路中的阻抗匹配网络良好匹配，避免由于控制功率放大器与阻抗匹配网络的不良匹配导致对工作带宽造成限制；并且，一路第一传输路径能够控制多路第二传输路径，从而能够满足高功率需求。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的功率放大器架构图；

图2是根据本发明一个实施例的功率放大器架构中CPA输出端口和BPA输出端口电流图；

图3是根据本发明一个实施例的功率放大器架构中CPA输出端口和BPA输出端口电压图；

图4是根据本发明一个实施例的功率放大器架构的CPA和BPA阻抗牵引图；

图5是根据本发明一个实施例的功率放大器架构的CPA和BPA功率图；

图6是根据本发明一个实施例的功率放大器架构的CPA和BPA效率图；

图7是根据本发明另一个实施例中双输入功率放大器的架构图；

图8是根据本发明另一个实施例中三输入功率放大器的架构图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本发明的一个实施例涉及一种功率放大器架构，主要应用于在大功率宽带RRU基站中。该功率放大器架构包括：第一传输路径，第一传输路径包括控制功率放大器和第一功分器，控制功率放大器的输出端连接于第一功分器的输入端；N个第二传输路径，每个第二传输路径包括平衡功率放大器、第二功分器及第三功分器；两个平衡功率放大器的输入端与第二功分器的两个输出端分别对应连接，两个平衡功率放大器的输出端与第三功分器的第一输入端、第二输入端分别对应连接；N个第二传输路径中的第三功分器的第三输入端与第一功分器的N个输出端分别对应连接；其中，N为大于或等于1的整数；具有N个输入端的合路器，合路器的N个输入端与N个第二传输路径中的第三功分器的输出端分别对应连接；具有N个输出端的第四功分器，第四功分器的N个输出端与N个第二传输路径中的第二功分器的输入端分别对应连接；第五功分器，第五功分器的第一输出端与控制功率放大器的输入端连接，第五功分器的第二输出端与第四功分器的输入端连接；其中，功率放大器架构具有一个输入端，第五功分器的输入端作为功率放大器架构的输入端；合路器的输出端为功率放大器架构的输出端。

在一个例子中，N可以为2，请参考图1。其中，第一传输路径为控制功率放大器(control power amplifier，CPA)所在的支路，第一传输路径可被称之为控制路，控制功率放大器可以是AB类功率放大器；第二传输路径为平衡功率放大器(balanced poweramplifier，BPA)所在的支路，第二传输路径可被称之为平衡路，平衡功率放大器可以是C类功率放大器。功分器即功率分配器，可以是正交混合电桥合路器(uadrature HybridBridge Coupler，QHBC)或其他形式的功率分配器，第一功分器可以是QHBC1，第二功分器可以是QHBC2，第三功分器可以是QHBC3，第四功分器可以是QHBC4，第五功分器可以是QHBC5，合路器可以是QHBC6其中，QHBC5输入端为功率放大器架构的输入端，合路器QHBC6的输出端为功率放大器架构的输出端。

功率放大器架构包括控制路和两组平衡路，信号经射频输入端口Pin输入到QHBC5，QHBC5将信号分成两路，一路馈入控制路，另一路馈入平衡路。

控制路具体包括：CPA，QHBC1，一个限幅器(Ampli-limiter),一个相位调节器可以是相位补偿线(Offset line)，负载电阻Load若干，其中，Offset line用来调制输入信号的相位，Ampli-limiter用来调制输入信号的幅度。CPA的输入端和Offset line与Ampli-limiter连接，CPA的输出端连接QHBC1的输入端。信号从QHBC5第一输出端输出，由相位、幅度调制后，经过工作于AB类状态的CPA后放大并经QHBC1输出。

平衡路中第一组平衡路具体包括2个BPA，第二功分器QHBC2-1；第三功分器QHBC3-1；第二组平衡路具体包括2个BPA、第二功分器QHBC2-2，第三功分器QHBC3-2；负载电阻Load若干。信号从QHBC5第二输出端输出给QHBC4，QHBC4将信号分成两路，一路输入到QHBC2-1，信号经QHBC2-1分配后进入平衡功率放大器，再由QHBC3-1输出；另一路输入到QHBC2-2，信号经QHBC2-2分配后进入另一组个平衡功率放大器，再由QHBC3-2输出。

需要注意的是，控制路的QHBC1的第一输出端和第二组平衡路的QHBC3-2的第三输入端连接，QHBC1的第二输出端和第一组平衡路QHBC3-1的第三输入端连接，从而使得控制路CPA可以对两组平衡路BPA进行控制，最终从合路QHBC6输出。

可选的，第一传输路径还可以包括相位调节器和/或限幅器；相位调节器连接在第五功分器的第一输出端和控制功率放大器的输入端；限幅器连接在第五功分器的第一输出端和控制功率放大器的输入端之间，也就是说，相位调节器和/或限幅器可以以任意排列组合方式在控制路QHBC5输出端和CPA输入端之间，相位调节器用来调制信号的相位，限幅器用来控制信号幅度。

可选的，第一传输路径包括相位补偿线和限幅器，相位补偿线连接在第五功分器的第一输出端和限幅器的输入端之间，限幅器的输出端连接于控制功率放大器的输入端，也就是说，相位补偿线为相位调节器之一用来调节相位，和限幅器一起作用于控制路QHBC5输出端和CPA输入端之间。

可选的，第五功分器的第二输出端通过相位调节器连接于第四功分器的输入端。也就是说，相位调节器可以置于QHBC5的第二输出端与QHBC4的输入端调节相位，实现相同的效果。

可选的，第四功分器的每个输出端通过相位调节器连接于对应的第二传输路径中的第二功分器的输入端。也就是说，相位调节器一组放放置在QHBC4的输出端和QHBC2-1的输入端之间，一组放置在QHBC4的另一输出端和QHBC2-2的输入端之间，分别调节两组BPA的相位，实现相同的效果。

可选的，相位调节器还可以置于第二功分器的四个输出端与BPA输入端之间，即一组置于QHBC2-1的两个输出端和与之对应的BPA之间，另一组置于QHBC2-2的两个输出端和与之对应的BPA之间，调节四个BPA的相位，实现相同效果。

本申请提出的功率放大器架构，控制路和平衡路中的功分器将两路功率放大器较好地解耦，使得控制路中控制功率放大器的阻抗基本不受平衡路中平衡功率放大器的牵引，从而不管输入信号如何变化，控制功率放大器始终能跟电路中的阻抗匹配网络良好匹配，避免由于控制功率放大器与阻抗匹配网络的不良匹配导致对工作带宽造成限制；并且，一路控制路能够控制多路平衡路，控制路中控制功率放大器对平衡路中平衡功率放大器形成阻抗牵引，从而能够满足高功率需求。

上述功率放大器架构在具体实施中，如图1所示，信号经射频输入端口Pin由QHBC5将信号分成两路。当输入为小信号时，控制路开始工作，CPA电压电流处于AB类状态下，信号经过工作于AB类状态的CPA后放大并经QHBC1后输出。同时，在小信号情况下，两组平衡功率放大器电压电流处于C类状态，两组平衡功率放大器的阻抗无穷大，四个BPA处于关断状态，因此两组平衡路相当于没有工作。

当输入信号持续增大到功率状态，控制路和两组平衡路共同开始工作。控制路CPA随着输入功率的进一步增大，电流达到最大值，CPA进入饱和状态，工作效率降低。为避免CPA输入功率的进一步增大而进入过饱和状态，限幅器开始工作，对输入的CPA的信号进行幅度限制，保证输入到控制路功放的信号低于一定预设值，避免CPA工作在过饱和状态，提升CPA的可靠性和稳定性。为避免CPA输入功率的进一步增大而进入过饱和状态，限幅器开始工作，对输入的CPA的信号进行幅度限制，保证输入到控制路功放的信号低于一定预设值，避免CPA工作在过饱和状态，从而提升CPA的可靠性。在大功率状态下两组平衡功率放大器开始工作，即4个BPA开启。BPA的信号经过QHBC4分成两路后分别馈入两组平衡功率放大器中，经BPA输出到两组功分器QHBC3-1和QHBC3-2。控制路的QHBC1的两个输出端分别作用于两组平衡路QHBC3-1和QHBC3-2输入端，通过改变控制路offsetline的长度，从而改变工作频段内的S参数的相位的斜率，实现对两组平衡路中4个BPA的负载牵引。

在一个示例中，若实现一个8dB回退的宽带大功率功放，计算可得CPA和BPA功放管需要输出的电流的比值为2:1.06，以平衡路上任意一组BPA输出端连接的功分器的各个端口进行理想电流源模型分析，比如说输出端口所连接的功分器为QHBC3-1，得到如图2所示的电流图，横轴表示电压且横轴上的数值是将电压值归一化后的结果，纵轴表示电流。如图2中，归一化电压在0.4之前，CPA电流逐步增大，控制路开始工作；BPA电流为0，阻抗无穷大，四个BPA处于关断状态。归一化电压在0.4，CPA电流到最大值0.6，4个BPA开启，两组平衡功率放大器开始工作。功率放大器架构中CPA输出端口和BPA输出端口电压图如图3所示，归一化电压达在0.4之前，BPA和CPA电压逐步增大，在归一化电压达到0.4后，CPA电压稳定不变，BPA电压逐步增大。CPA和BPA的阻抗牵引图如图4所示，在CPA电流到0.6后，控制路通过改变offsetline的长度，从而改变工作频段内的S参数的相位的斜率，实现对4个BPA的负载牵引。在8dB回退的宽带大功率功放下，CPA的阻抗值恒定为50欧，CPA阻抗对BPA阻抗形成牵引，BPA的阻抗随归一化电压的增大而逐步降低。信号经控制路和平衡路中各功率放大器作用后在合路输出，CPA和BPA的功率图如图5所示，在CPA对BPA形成阻抗牵引后，输出功率持续提升。CPA和BPA效率图如图6所示，在归一化电压达到0.4时候，效率最高达到近80％，CPA和BPA同时工作，CPA对BPA形成阻抗牵引，使得效率回升再一次达到近80％。本申请的功率放大器架构在大功率状态下，控制路中控制功率放大器对平衡路中平衡功率放大器形成阻抗牵引，保证带宽基础上满足高功率需求。

本发明的另一个实施例涉及一种功率攻放架构，下面以双输入功率放大器架构为例，对实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须,双输入功率放大器架构包括：第一传输路径，第一传输路径包括控制功率放大器和第一功分器，控制功率放大器的输出端连接于第一功分器的输入端；N个第二传输路径，每个第二传输路径包括平衡功率放大器、第二功分器及第三功分器；两个平衡功率放大器的输入端与第二功分器的两个输出端分别对应连接，两个平衡功率放大器的输出端与第三功分器的第一输入端、第二输入端分别对应连接；N个第二传输路径中的第三功分器的第三输入端与第一功分器的N个输出端分别对应连接；其中，N为大于或等于1的整数；具有N个输入端的合路器，合路器的N个输入端与N个第二传输路径中的第三功分器的输出端分别对应连接；具有N个输出端的第四功分器，第四功分器的N个输出端与N个第二传输路径中的第二功分器的输入端分别对应连接；其中，功率放大器架构具有两个输入端，控制功率放大器的输入端作为功率放大器架构的两个输入端中的一个输入端，第四功分器的输入端作为功率放大器架构的两个输入端中的另一个输入端；合路器的输出端为功率放大器架构的输出端。

在一个例子中，N可以为2，请参考图7，功率放大器架构包括控制路和两组平衡路，控制路控制功率放大器控制平衡路平衡功率放大器，同上一个实施例功率放大器架构类似为避免重复不在赘述。区别于本申请第一个实施例，本实施例功率放大器架构具有两个输入端，其中，第一部分信号经一个射频输入端口Pin1馈入到控制路，经过工作于AB类状态的CPA后放大并经QHBC1输出；第二部分信号经另一个射频输入端口Pin2馈入到平衡路，QHBC4将信号分成两路，一路作用于QHBC2-1、BPA、QHBC3-1，另一路作用于QHBC2-2、BPA、QHBC3-2。

双输入功率放大器架构在控制路去除控制路中相位调节器和限幅器，这两个模块的功能可以通过在数字域进行调幅和调相实现，可以进行更为精确的控制功率放大器。采用双输入后，省略了输入端的一个功分器即省略了QHBC5，简化架构，降低电路成本，同时，相对于单输入功率放大器架构，减少功分器提升了架构的增益，从而进一步提升架构性能。

在本发明的另一个实施例中，也可以是三输入功率放大器，具体包括：第一传输路径，第一传输路径包括控制功率放大器和第一功分器，控制功率放大器的输出端连接于第一功分器的输入端；N个第二传输路径，每个第二传输路径包括两个平衡功率放大器、第二功分器及第三功分器；两个平衡功率放大器的输入端与第二功分器的两个输出端分别对应连接，两个平衡功率放大器的输出端与第三功分器的第一输入端、第二输入端分别对应连接；N个第二传输路径中的第三功分器的第三输入端与第一功分器的N个输出端分别对应连接；其中，N为大于或等于1的整数；具有N个输入端的合路器，合路器的N个输入端与N个第二传输路径中的第三功分器的输出端分别对应连接；其中，功率放大器架构具有N+1个输入端，控制功率放大器的输入端作为功率放大器架构的N+1个输入端中的一个输入端，N个第二功分器的输入端分别作为功率放大器架构的N+1个输入端中的N个输入端；合路器的输出端为功率放大器架构的输出端。

同上一个例子的功率放大器架构类似，N可以为2，请参考图8，功率放大器架构包括控制路和两组平衡路，控制路控制功率放大器控制平衡路平衡功率放大器，其控制路和平衡路的架构关系为避免重复不在赘述。区别于上一个例子，本实施例功率放大器架构具有三个输入端，其中，信号经第一个射频输入端口Pin1馈入到控制路，经过工作于AB类状态的CPA后放大并经QHBC1输出；信号经第二个射频输入端口Pin2馈入一组平衡路，作用于QHBC2-1、BPA、QHBC3-1，信号经第三个射频输入端口Pin3馈入另一组平衡路作用于QHBC2-2、BPA、QHBC3-2。控制路和平衡路信号最终从合路QHBC6输出。

三输入功率放大器，简化架构布局，降低电路成本。同时进一步省略两组功分器，即省略了QHBC4和QHBC5，相比于单输入功率放大器和双输入功率放大器，三输入功率放大器架构更进一步提升了架构的增益，提升了架构性能。

本发明的另一个实施例涉及一种电路板，包括功率放大器架构；功率放大器架构包括单输入功率放大器架构，双输入功率放大器架构以及三输入功率放大器架构。

不难发现，本实施例可以与上述方法实施例互相配合实施。上述实施例中提到的相关技术细节和技术效果在本实施例中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施例中提到的相关技术细节也可应用在上述实施例中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。