Ku波段功率放大器的研究与设计

发布时间：2020-08-12 11:10

【摘要】：近几年,微波、毫米波通信的发展是各国激烈竞争的焦点,尤其在国防安全、军事作战、卫星系统、相控阵雷达等方面。低频段的资源逐渐满足不了无线通信发展的需求,新一代通信开始转向更高的频段,如Ku、K、Ka频段来满足宽频带、高速率、高容量的需求。我国计划在2020年实现5G通信的商用,卫星通信需要匹配5G通信的发展,进而形成覆盖区域广、组网灵活、天地网络相融合的一种新型移动通信方式。功率放大器是通信系统中的关键部件,决定着整机系统性能优劣。目前国内市场功率放大器以GaAs MMIC为主流,主要应用在移动智能终端。面临新一代通信带来的爆发式需求,面向卫星通信应用的功率放大器趋向于小型化、高集成、低功耗发展,国内正处于研发起步阶段,核心产品多依赖进口,受制于西方国家。基于当前国内外形势与发展前景,本论文主要对Ku波段功率放大器进行研究与设计,具有重要的研究意义与工程应用价值。本文先对课题的研究背景与国内外研究现状进行分析,总结课题研究的意义与工程应用价值。随后对GaAs工艺器件特性进行阐述,主要包括器件发展进程、pHEMT工艺结构与电特性、器件建模等。紧接着阐述功率放大器的基本理论,分析二端口网络、功率放大器的类别、主要性能指标等内容。最后采用厦门三安0.25um GaAs pHEMT的工艺设计了一款面向新一代卫星通信终端应用的Ku波段功率放大器,主要研究工作包括Ku波段功率放大器的初步设计分析、电路原理图设计、版图设计、电磁仿真、结果分析。在文章的结论处进行全文的分析总结,包括研究工作、不足之处、下一步研究计划等。功率放大器电路基于Agilent公司的ADS软件进行仿真设计,采用2级放大架构,结合工艺厂商提供的工艺库进行电路拓扑设计。为了实现良好的输出功率与效率,功率放大器输出级偏置在AB类,并引入负反馈结构来提升带宽与稳定性。原理图设计完毕后进行合理地版图设计,并对电路元件进行电磁仿真,最终得到原理图与版图的仿真数据来验证设计指标。最后设计出一款Ku波段功率放大器,工作频段为16-18GHz,饱和输出功率约为16.7dBm,功率附加效率为22.5%,功率增益为14.5dB,输入输出回波损耗小于-10dB,符合预期指标要求。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN722.75
【图文】：

直流特性,晶体管,静态偏置

第四章 Ku 波段功率放大器设计对选定管子分析其直流特性，在仿真软件 ADS 进行仿真调试。结合工艺厂商提的参考数据手册，确定第一级驱动级晶体管静态偏置为 Vg1=0.62V，Vd1=6V，第二输出级晶体管静态偏置为 Vg2=0.42V，Vd2=6V。直流特性仿真如图 4-4 所示，并对置结果进行相应地增益仿真，如图 4-5 所示。

晶体管增益,特性仿真,直流特性,静态偏置

分析其直流特性，在仿真软件 ADS 进行仿真调试。结合工册，确定第一级驱动级晶体管静态偏置为 Vg1=0.62V，Vd1静态偏置为 Vg2=0.42V，Vd2=6V。直流特性仿真如图 4-4 应地增益仿真，如图 4-5 所示。图 4-4 晶体管直流特性仿真Figure 4-4 Simulation of transistor DC characteristics

曲线,功率放大器,阻抗,等功率

广东工业大学硕士学位论文等功率阻抗P1等功率阻抗P2最优输出阻抗Zout如图 4-7 Load Pull 曲线与最优阻抗Figure 4-7 Load Pull Curve and Optimal Impedanc管子在 ADS 进行 Load-Pull 仿真，设定 Vg1与 V输入输出匹配网络，获得如图 4-8 所示的匹配数阻抗点能够获得最大输出功率 18.01dBm。

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