GaN宽带高效率射频功率放大器研究

发布时间：2020-09-30 21:09

　　随着无线通信系统的飞速发展,为了实现调制信号远距离的传输,射频功率放大器成为了通信系统中不可或缺的组件。在无线收发系统中必须先将信号进行放大,才能实现远距离传输,因此功放的带宽和效率对整体系统的稳定性、散热成本起着至关重要的作用。也正是这种需求在很大程度上促进了宽带高效率功率放大器的研究。本文结合最新的高效F类的理论,加入新型的宽带匹配思想进行了宽带高效率功率放大器的设计。论文首先进行了大量文献资料的查阅,对于近些年国内外宽带高效率功率放大器包括高效F类功放取得的成果和最新发展动态进行总结归纳。其次介绍了不同宽带高效率功率放大器的基础理论研究,详细阐述了F类电压波形与电流波形的数学推导,对不同宽带匹配方法包括宽带理论分析,简化实频技术,特别是一些实际运用的宽带匹配方法包含多支节阻抗变换和阻抗渐变式进行了介绍和分析,为后面功率放大器的设计方案的选取提供了理论支持。然后运用不同的创新设计方法仿真设计并制作了两款放大器:为了覆盖中国移动,中国电信和中国联通这三家移动运营商的工作频段,基于Ga N器件设计了一个带宽为1.3-2.7 GHz的功率放大器(完全覆盖了三个运营商的工作频段)。测试结果显示,在1.3-2.7 GHz、相对带宽75%内,漏极效率达到了68%-78.8%,输出功率大于40.2d Bm,整个频段的信号增益为10~13 d B。该设计采用三频点匹配法进行宽带匹配,通过新型设计的阻抗匹配拓扑结构实现了高效率,实现了二次谐波短路和三次谐波在不同频率下开路的目的,进而达到了宽带高效率的设计目标。接着采用连续类的理论与基波阶跃式匹配思想设计了一款带宽达到1.2-2.6 GHz功率放大器,其漏级效率达到60%-88%,相对带宽达到73%,平均输出功率10 W以上,大信号增益为10-12 d B。上述两种设计方法都具有很大的创新性,其性能结果特别是在带宽和效率上都达到了比较优越的程度,解决了同时兼有高效率和宽频带的Ga N功率放大器中一系列关键性问题,为4G基站高效率宽带下的功率放大器研制提供一种新的实现途径和方法。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN722.75
【部分图文】：

功放,功率放大器,截止点,线性度

杭州电子科技大学硕士学位论文第二章高效率功率放大器的基本理论与设计研究率放大器分类B、B 和 C 类功放放大器主要介绍一下最基本的四类功率放大器，根据直流工作点的位置不同，放分为 A 类(甲类)、AB 类（甲乙类）、B 类(乙类)、C 类(丙类)等。如图 2作点 Q 较高(ICQ 大)，信号在 360 度内变化，管子均导通，称之为 A 类工工作点 Q 低于 A 类但是非截止状态，信号在 180 度到 360 度之间，管子工作点 Q 选在截止点，管子只有半周导通，另外半周截止，称之为 B 类(c)中，工作点 Q 选在截止点下面，信号导通角小于 180°，称之为 C 类工

电流波形,过激励,功率放大器,漏极

率较高一点；C 类功放一般用于辅助功放电路中，导通角小于半个周期，但是效率比较高能达到 90%多；B 类功率放大器效率要高于 A 类、AB 类，失真程度也比较大，但是综合性能来说确实是一种平常使用比较多的功放，理论效率达到 78.5%，实际情况下也有 50-60%多[31-34]。2.1.2 F 类功率放大器F 类功率放大器工作在 B 类静态工作点下，由于在 B 类的基础上加入比较大的信号，使其产生过激励从而产生一些非正弦的电流和电压波形，由于过激励使输出晶体管输出产生大量的谐波分量，这些谐波分量也携带很多能量，致使其电压和电流波形不在完美存在，由于一般功率放大器只考虑到基波阻抗的匹配，理论上达到的效率并不是很高，由上小节可以得出，F 类功率放大器就是在此基础上加入了谐波阻抗匹配网络，尽量使所有的谐波分量全部被负载阻抗利用，以达到最大的输出效率，理论上如果达到完美的谐波控制，那么最终电路的输出效率就会达到 100%，这种情况下并没有增加直流功耗同时提高了输出效率[35-40]。如果想要得到 F 类功率放大器的电压波形和电流波形，那么需要先对过激励情况下的 B 类功率放大器得信号输入情况进行深入分析以推导出 F 类功率放大器理论上的工作原理：

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图 2.3 F 类功放漏级电流波形和电压波形理想状态下的 F 类功率放大器电压和电流波形：sin()maxiI D ， t 2 (2.11)maxvVD ， 0 t (2.12)由 Fourier 展开后得： maxIIdc (2.13)2maxVVVdcDD (2.14)2max1II (2.15) max12VV (2.16)上述 4 式联立求解得：2 IImaxmaxVPVdcdcdc (2.17)

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