面向5G通信的高性能F类Doherty功放研究

发布时间：2020-09-14 17:36

　　 为进一步提高无线通信系统中数据高速传输的能力,需要系统之中的耗能模块拥有更加高效节能和宽频率覆盖的特性。而Doherty功率放大器作为通信系统中的主要供能和耗能模块,其工作效率的提升以及工作频率的拓宽是众多研究者们一直探索的。本文初期通过查阅大量相关文献资料,分析近年来Doherty功率放大器的发展趋势,阐述了基站Doherty工作原理及其性能提升方法,着重对Doherty的效率和带宽两个性能展开深入研究,设计面向5G通信应用的宽带宽高效率Doherty功率放大器。主要的工作流程开展及创新性如下:1、对功率放大器的主要性能指标进行综述,并着重讨论效率和带宽对功率放大器的性能影响。对传统Doherty功率放大器的工作原理进行深入研究,先后分析了负载调牵引理论、Doherty功率放大器的几种工作状态,以及Doherty提升回退效率的缘由,肯定了 Doherty结构的巨大优势。2、研究传统Doherty功率放大器进一步提升效率的多种设计方案,最终选择了将F类功率放大器与Doherty功率放大器相结合的设计方法,先通过分析F类功率放大器效率提升的基本原理,接着讨论将F类功率放大器与Doherty功率放大器结合的可行性并最终拟定结合的方案。3、研究限制Doherty功率放大器带宽的主要因素,着重分析Doherty功放负载调制网络中阻抗变换线对工作带宽的影响,在平行式Doherty功率放大器的设计理念上进行改进,通过调整阻抗变换线的阻抗变换比来减低Doherty功率放大器的分数带宽,得到一种比平行式Doherty功放更为紧凑的宽带Doherty功放设计方法。同时,相对于传统Doherty功率放大器,所设计的新型Doherty功率放大器带宽更宽。将F类功率放大器与Doherty结构相结合,并改进负载调制网络,最终设计出具有宽带宽、高效率的F类Doherty功率放大器,该方案旨在提升传统Doherty功放的带宽和效率性能,设计出综合性能优异的功率放大器以满足未来5G通信应用的需要,在连续波测量下,该功率放大器能够在在3.0-4.0GHz频率范围内实现61%-71%的饱和漏极效率,6dB回退效率大于35%(最高效率为52%)。其综合性能比传统Doherty功率放大器更加优秀。此外,在3.46GHz-3.54GHz频带内,通过20MHz LTE调制信号进行测量并结合数字预失真技术评估其线性化性能,输出信号的ACLR值低于-46dBc。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN722.75;TN929.5
【部分图文】：

自激振荡从而影响功率放大器的稳定性，因此如何提高放大器的稳定成为功放设计的重中之逡逑重［４９】。逡逑我们假设图２．１所示的是一个代表功率放大器的双端口网络，如果Ｓ１２＃０，则输入反射系逡逑数ｒｍ与任意负载阻抗以及输出反射系数与任意源阻抗ｚｓ的关系可以表示为：逡逑＊５＊１２＊＾２１＾１逡逑＋逦（２．１）逡逑ｒ0ｕｔ邋＝邋Ｓ２２邋＋逦（２．２）逡逑如果电路无条件稳定，那么任何源或负载可以连接到电路的输入或输出端而不产生振荡。逡逑对于整个设备的Ｓ参数而言，如果同时满足（２．３）、（２．４）这两个不等式，就能保证二端口逡逑网络的稳定性。逡逑Ｚｓ逦逦逡逑ｒ－＾ＡＡ—Ｏ逦逦逦Ｏ逦１逡逑ＶＳ９邋＾邋＾逦Ｚ0逦＾邋＾逦＆逡逑Ｉ逦0逦逦逦0逦１逡逑ｒｓ邋ｒ；ｎ逦ｒ0ｕｔ邋Ｔｌ逡逑图２．１两端口网络模型逡逑｜５Ｕ｜邋＜邋１邋ａｎｄ邋＼Ｓ２２＼逦＜邋１逦（２．３）逡逑＼ｒｉｎ＼＜ｌａｎｄ邋＼ｒ0ｕｔ＼＜ｌ逦（２．４）逡逑１邋＋邋＼ＳｎＳ２２邋￣邋＾１２＾２ｌ｜２邋—邋ｌ＾ｌｌｌ２邋—邋ｌ＾２２｜２邋＾邋＾逦Ｍ《、逡逑Ｋ邋＝逦逦＞Ｘ邋（２．５）逡逑当｜ｒｓ｜＜ｌ且｜ｎ｜＜ｌ时，可以推导出式（２．５）中的不等式关系，这里称Ｋ为功率放大器的逡逑８逡逑

上并不存在，它包括三阶截止输入点ＩＩＰ３和三阶截止输出点0ＩＰ３。使用两个紧密间隔的频率信逡逑号／ｉ和／２入射到功率放大器时，在其输出端除了包含这两个信号以外，还包含ｍ／＾ｎ／２的互调逡逑产物，其中ｍ＋ｎ被称为互调（ＩＭ）乘积的阶数。如图２．２所示的是互调产物的分布图。可以看逡逑出分布在通带两侧２／＇１－／２和２／２－／１由于与主信号频率八以及／２非常接近，因此将对主信号频率逡逑产生较大的影响，也是互调失真的主要来源。逡逑“邋Ｐ逡逑通带逡逑ｐ．，逦．干逦逡逑ｔ邋ＩＭＤ３逦ｔ逦｜逦｜逡逑Ｐ２ｃ0Ｊ－ｃ0２邋逦？」？？？？？？逦Ａ逦Ａ逦“逡逑０）逡逑ｃ0２￣⑴邋１逦ｃ0ｊ邋ｃ0２逦２（０］邋２ｃ0２邋３（0ｊ邋／逦＼邋３ｃ0２逡逑２（0ｉ－（0２逦２0）２－（0ｉ逦（0ｉ＋（0２逦２邋ＣＯ邋１＋ＣＯ邋２邋２ｃ0２＋（0１逡逑图２．２互调产物与主信号分布图逡逑定义ＩＭＤ３为三阶互调分量的功率差，那么可以得到ＩＭＤ３的计算公式：逡逑ＩＭＤ３＾邋Ｐ（0ｉ－Ｐ２ｃ0ｉ．ａ）２（ｄＢｃ）逦（２．１３）逡逑由此，可以推出三阶截止输出点和截止输入点ｏｉｐ３、ｉｉｐ３Ｓ：逡逑１０逡逑

逦？逡逑图２．３基频响应于三阶响应的输入输出关系图逡逑如图２．３所示的是功率放大器基频响应与三阶响应的输入输出功率关系图。ＩＰ３是衡量功率逡逑放大器线性度好坏的重要指标。理论上说，ＩＰ３值越大，线性度越好。逡逑（２）邋ＡＣＰＲ逡逑邻近信道功率比（ＡＣＰＲ）通常用来评估应用于无线通信基站中的功率放大器互调失真性逡逑能的重要指标，它是主信道信号在边带中的频谱再生的度量，同样类似于模拟射频功率放大逡逑器的ＩＭＤ３。其定义为：逡逑主信道频谱密度逦ｍａ、逡逑ＡＣＰＲ邋二逦邋（２．１６）逡逑第二到第三临近信道频谱密度逡逑频率偏移量和测量带宽随系统应用的变化而变化，在下图２．４所示的是２０ＭＨｚ邋ＬＴＥ信号输逡逑入的功率放大器临近信道实例图，通道２和通道３分别偏移距离通道１的中心频率１０ＭＨｚ和逡逑３０ＭＨｚ的距离。逡逑Ｎ—邋信道１逦—Ｈ逡逑＾／ＶＡＡＡＡＡＡＡ／ＷＷＷ＼ＡＡＡＴ逡逑４——１８．０１５ＭＨｚ逦？逡逑信道２逡逑Ｊ逦信道邋３逡逑１０ＭＨｚ邋＞邋？邋１０ＭＨｚ邋？逦１ＭＨｚ逡逑／邋邋《Ｃｉｉａｎｎｅｌ邋＿逡逑ｏｆｆｓｅｔ邋１逡逑逦＾邋邋Ｃｈａｎｎｅｌ邋ｏｆｆｓｅｔ２逦？逡逑＜逦３０ＭＨｚ邋逦逦邋３０ＭＨｚ邋逦？逡逑图２．４邋２０ＭＨｚ邋ＬＴＥ信号输入的功率放大器临近信道实例逡逑可以看出ＡＣＰＲ的值越大，则频谱再生量越小，主信道与临近信道直接的隔离度越好，线逡逑１１逡逑

【参考文献】

相关期刊论文 前4条

1 田进;;浅议射频功率放大器的研究[J];科技创新与应用;2015年16期

2 张波;陈万军;邓小川;汪志刚;李肇基;;氮化镓功率半导体器件技术[J];固体电子学研究与进展;2010年01期

3 钱照明;盛况;;大功率半导体器件的发展与展望[J];大功率变流技术;2010年01期

4 毛大平;;浅谈功率放大器的基本技术指标[J];现代电影技术;2008年06期

本文编号：2818459