面向新一代移动通讯终端的多模多频功率放大器研究

发布时间：2018-11-15 13:38

【摘要】：功率放大器是射频前端模组中非常重要的组成单元,其性能关系着移动终端的续航时间和通讯质量。自从3G开始应用以来,移动通信网络就处于多通信网络共存的一个状态;进入4G时代后,通信所需支持的频段暴增,需要相应的功率放大器数量也暴增,射频前端模组的复杂程度也大大增加,研究多模多频功率放大器具有重大意义。本论文围绕最新一代4G (LTE-A)移动终端射频前端需求,针对其多模多频功率放大器电路进行了深入的研究,开展了 InGaP/GaAs HBT功放温度补偿电路设计,功放宽带、高效率和多模多频设计等电路的研究工作。取得了以下主要研究成果:1、针对GaAsHBT功率管在功率放大器中的应用,研究了 HBT器件自热效应及其对有源偏置电路温度稳定性的影响,提出了一种改进的带有温度补偿的偏置电路结构,有效提高了偏置电流的温度稳定性。该温度补偿电路,是通过新增的有源镜像电路结构,利用热电负反馈,对原先有源偏置电路的基准电压进行补偿,保证基准电压在温度变化时基本恒定。仿真结果表明,经过补偿后的偏置电流温度稳定性明显提高,在80 ℃时,温度漂移由8.5%减小到2.5%。2、利用温度补偿偏置电路,成功设计了一款带有温度补偿的两级高性能功放。该功放采用带有温度补偿的有源偏置电路,对功放进行温度补偿和线性度优化;输出匹配网络利用F类高效率谐波控制理论,对功放输出匹配谐波进行优化,提高了功放输出的最高效率,对高效率输出匹配设计具有较好的指导作用。最终测试结果表明,在高温和低温情况下,增益波动幅度小于±2dB,PAE变化1.5%,ACPR变化3dBc,静态电流相对于常温变化量为±2.5%。常温下测试线性输出功率为28dBm的时候PAE达到了 42%。3、针对功率放大器宽带化匹配设计进行了深入的研究。详细分析了 LC匹配网络及多级LC匹配网络的带宽与效率之间的关系,最后结果显示2级LC匹配网络能达到的传输效率最高,其次是3级LC匹配网络;针对输出匹配网络,提出了无需Load-Pull这么复杂系统帮助下的宽带最大输出功率匹配阻抗点寻找方法和基于三维电磁场仿真解决基板中电感、接地的寄生参数和线路之间的耦合等问题的电路优化设计方法,保证功放能实现宽带输出。4、利用宽带化匹配设计原理,成功设计了一款工作在4.9GHz～5.9GHz的三级宽带MMIC功率放大器;该功放一二级间采用2级LC高效匹配结构,二三级级间采用3级LC高效匹配网络结构,输出采用2级LC高效匹配结构。测试结果表明,工作带宽达到了 1GHz;频带内增益超过了 24.5dB,带内增益变化量为2dB;频带内输出饱和功率(Psat)均超过30dBm,最高输出功率Psat达到31.8dBm。5、提出了一种宽带双功率工作模式的功放架构,改善功放回退区域的效率;该功放架构利用在不同的输出功率段,使用不同的基波阻抗值,从而实现平均功率效率提升。采用了 InGaP/GaAs HBT和AlGaAs/InGaAs pHEMT的一体化工艺,将功放电路与控制电路单片集成,实现模式控制的片上切换,能有效提高功放的集成度。6、成功设计了一个工作在频率2.3GHz～2.69GHz范围的宽带双功率模式功率放大器。该功放采用高、低功率工作模式的功放的架构,提升了功放在功率回退时的效率;采用带隙基准电路和基于共射结构的简易逻辑电路,成功实现功放开与关和功放高、低输出功率模式的选择;利用宽带输出匹配结合高效率输出匹配设计方法,设计出了高效宽带输出匹配网络。测试结果表明,该功放最佳效率达到38%,可有效改善功放功率回退区域的效率,并在频率2.3GHz～2.69GHz范围内获得了较好的总体性能,能同时满足4G中Band 38、Band 40、Band 41和Band 7应用的协议要求,实现了多模多频功率放大器的设计。
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【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN722.75

【参考文献】