基于负载和供电调制技术的宽带高效率功率放大器研究

发布时间：2020-07-27 07:16

【摘要】：现代无线通信系统正在向第五代通信系统演进,无线通信系统的不断发展一方面为了提高数据传输速率和频谱利用率,调制信号的带宽和峰均比越来越大,另一方面由于多频多模的通信系统地不断增加,无线通信系统需要覆盖更宽的频率范围。功率放大器作为无线通信发射机中最重要的关键部件之一,面临着带宽、效率、线性度的多方面的挑战。本文围绕Doherty功率放大器和动态供电功率放大器两条主线,对于无线通信系统中的功率放大器进行深入的研究,进一步拓宽功率放大器的带宽,提升功率回退时的效率。本文的主要工作和成果如下:一、提出了一种双变换简易实频技术的优化方法,并应用于2.2-3.7 GHz宽带Doherty功率放大器的研制中。该方法采用广义驱动点函数和联合误差方程,去除了传统Doherty放大器设计中的相位补偿线,达到载波和峰值放大器的联合设计,可以同时实现功率回退和饱和状态的双阻抗变换,拓展了Doherty功率放大器的带宽。测试结果表明,设计的Doherty功率放大器在1.5 GHz的工作频带内,饱和输出功率超过43 dBm,6-dB功率回退效率达到45%-53%。在80 MHz带宽LTE-A信号的激励下,经过数字预失真后,该放大器能够保持46.7%的平均效率的同时,相邻信道泄露比(Adjacent Channel Leakage Ratio,ACLR)优于-51 dBc。上述研究成果已在国际核心期刊IEEE Access上发表。二、提出并研制了一种增强带宽的同时双频Doherty功率放大器。首先分析了载波和峰值阻抗变换网络的相位对于同时双频Doherty放大器带宽的影响;然后,采用最小相位延迟网络,同时通过恰当地选择载波和峰值阻抗变换网络的相位关系,同步拓展了Doherty放大器两个工作频带的带宽;最后,采用后匹配技术优化合路点阻抗,进一步优化了Doherty放大器在功率回退和饱和时的性能。测试结果显示,设计的Doherty放大器,在2.0-2.4 GHz和3.2-3.6GHz各自400 MHz的工作频带内,饱和输出功率超过44dBm,6-dB功率回退效率达到52%-57%,饱和效率达到65%-71%。上述研究成果已在国际核心期刊Int.J.RFMicrow.Comput.Aided Eng.上发表。三、对于高效率包络跟踪(Envelope Tracking,ET)功率放大器展开研究。首先设计了一个数字辅助控制的串联型开关线性混合的ET电源调制器,通过优化阶梯波的输出电压,提高了电源调制器的效率;然后,采用合适宽度的四分之一波长线的馈电方式,优化了射频放大器在低频时的响应,设计了一个1.3-2.3 GHz的25 W高效率射频功率放大器;最后,利用ET电源调制器和射频功放,构建了一台高效率ET功率放大器。测试结果表明,该ET功放在10 MHz带宽LTE信号的激励下,在9-dB功率回退时,平均效率为41.7%,相比于恒压供电时,效率提升了14.5%,经过数字预失真后,ACLR优于-46 dBc。上述研究成果已在2015年Asia-Pacific Micro.Conf.(APMC)上发表,部分研究成果以共同作者的形式发表在国际核心期刊IEEE Trans.Microw.Theory Tech.上。四、对于宽带供电调制类(Supply Modulated,SM)功率放大器展开研究。通过简化ET电源调制器的结构,设计了一个四分离电平的全模拟SM电源调制器,配合1.4-2.1GHz的60 W射频功放,构建了一台宽带SM功率放大器。为了优化此SM功放,提出了一种基于真实偏差电压控制的新型包络束型方法和一种基于最小脉宽保持的降低电源开关频率的方法。经过优化后,在40 MHz带宽峰均比为8 dB的LTE-A信号激励下,SM功放实现超过40%的平均效率的同时,电源调制器的峰值开关频率可以降低4倍。上述研究成果发表国际核心期刊Electron.Lett.和2018年的IEEE Int.Wireless Symp.(IWS)中。五、提出并研制了两种可重构的Doherty功率放大器。一为输出功率可重构,通过使用两电平电源调制器来改变Doherty放大器的漏极电压,实现高低两个功率状态的可重构,相比于传统的Doherty功放,在低功率状态时,功放效率提升了8.1%。二为回退范围可重构,通过MEMS射频开关改变峰值输出匹配网络相位的方法,实现了Doherty放大器可以在6-dB和9-dB两个功率回退范围进行切换。上述研究成果发表在2017年的32nd Gen.Assem.Sci.Symp.Int.Union Radio Sci.(URSI GASS)中,部分研究成果以共同作者的形式发表在国际核心期刊Wireless Commun.Mobile Comput.上。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN722.75
【图文】：

移动通信系统,演进过程

4G LTE) 到未来 5G 通信系统，还需要经历一个逐渐演进的过程[3;4]。如图1.1所示，其间还包括 LTE 升级版 (LTE-Advanced, LTE-A)，LTE 升级专业版 (LTE-AdvancedPro, LTE-A Pro) 的系统迭代。系统的迭代一方面伴随着无线传输速率的不断提升，在LTE-A Pro 系统标准中达到下行 1 Gbps 的传输速率[5]。另一方面，随着载波聚合 (CarrierAggregation, CA)[6]，单载波频分多址 (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access,SC-FDMA)[7;8]，正交频分复用 (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM) 等技术的不断应用[9]，移动通信系统中传输的信号带宽越来越大，峰均比 (Peak-to-AveragePower Ratio, PAPR) 越来越高。表1.1给出了国内无线通信系统部分的频率划分情况。由表可得

原理图,匹配网络,放大器,原理图

图 2.1: 放大器的输出匹配网络原理图。y 功率放大器的整体性能就受到了影响。此之外，借助于计算机辅助设计 (Computer-Aided Design, CAD) 的优化技术（Bayesian）优化[107]、简易实频技术(SimplifiedRealFrequencyTechnique,S始应用到 Doherty 放大器的设计中，用以拓展带宽。在文献 [108] 中，通来设计载波和峰值输出匹配网络，Doherty 放大器的带宽得到了拓展。然而，载波和峰值输出匹配网络是分开进行优化的。并且，Doherty 放大器只饱和输出功率状态之一进行优化，需要引入额外的补偿线来调整另一个状了 Doherty 放大器的性能。因此，急需拓展现有的优化方法来进一步拓展大器的带宽。SRFT 方法回顾RFT 借助于 CAD 可以有效的处理复阻抗到复阻抗的匹配问题[109 111]，已经[112 117]

功率放大器,匹配网络,回退

个优化程序来进行全局优化。2.3.1 Doherty 功率放大器的阻抗分析Doherty 功率放大器的输出匹配结构如图2.2所示。它包含载波和峰值输出匹配网络，以及合路点的负载 ZL。在回退功率状态，在一般的 Doherty 放大器分析中认为峰值输出匹配网络的输出阻抗 ZP,OMN,BO无穷大。但是，在宽带 Doherty 放大器设计中，由于传输线的相位变化，使得无穷大的 ZP,OMN,BO是不能成立的。在回退时，载波输出匹配网络看到的合路点阻抗可以表示为：ZC,OMN

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