基于多频耦合的滤波器及功率放大器的研究与设计

发布时间：2020-10-12 20:34

　　 随着通信技术的迅速发展,无线通信系统标准具有数据速率高、用户容量大、功耗低的特点,小型化、高效率、宽带工作的电路成为了国内外学者们研究的热点和重点。微带带通滤波器由于其平面电路和易集成性,在射频前端得到了广泛的应用。本论文主要研究了基于多频耦合的滤波器及其与功率放大器的协同设计,而多频耦合是指利用相同的耦合区域,可以独立地控制基波和谐波的耦合系数,从而抑制不需要的寄生通带。具体内容分为以下两个部分:1、平衡式小型化滤波器电路研究设计。为了抑制共模噪声,平衡式滤波器通常添加枝节或引入电容电阻,或者是采用阶梯阻抗谐振器等方法,但是这些方法会导致滤波器体积过大。本论文的创新点在于将多频耦合运用到平衡式滤波器中,通过馈线与谐振器之间的多频耦合,将滤波器与低温共烧陶瓷(Low-temperature cofired ceramics,LTCC)工艺相结合,提出了抑制共模信号和二次、三次差模信号的LTCC宽阻带平衡式滤波器。本论文首先分析了多频耦合的机理,然后设计了一个同时抑制共模和差模信号的小型化平衡式滤波器,然后进行电磁仿真证实了设计的可行性,该成果已授权实用新型专利一项,已公开发明专利一项。2、带通滤波器与功率放大器的协同设计。本论文基于多频耦合,提出了一种宽带滤波功率放大器。基于多频耦合的带通滤波器被用作功率放大器的输出匹配网络(Output matching network,OMN)。多频耦合意味着该结构的基波和谐波具有不同的耦合系数,因此,基波、二次谐波和三次谐波的输入阻抗分别满足扩展连续型逆F类功率放大器理论的要求。同时,获得了良好的频率选择性。利用多频耦合的工作原理、滤波器综合理论和等效电路指导滤波功率放大器的设计,实验结果表明,该设计具有较好的频率选择性、较宽的带宽和较高的功率附加效率。该成果已经被期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers所接收,已公开发明专利一项,已申请美国专利一项。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN713;TN722.75
【部分图文】：

站更适合高频应用，因此，小型化、高效率宽带功率放大器成为了一种发展趋势，而集成滤波器的功率放大器可以减小互联失配和插入损耗，进一步提升系统效率。图1-1 国际电信联盟定义的5G性能为了减小无源电路的尺寸，除了采用多模式谐振器[1-4]或紧凑微带谐振单元[5, 6]（CMRC）等设计方法，滤波器可以通过 LTCC 低温共烧陶瓷技术来实现小型化。将滤波器的谐振器在三维立体上折叠，将微带分布于不同陶瓷介质基板层之间，从而达到减小其尺寸的目的。此外 LTCC 低温共烧陶瓷具有高频高 Q 特性、高电导率的金属材料、可适应大电流及耐高温，组装密度高，较小的热膨胀系数，较小的介电常数温度系数，

（a） （b）图1-5 具有带通响应的功率放大器[15]；（a）电路结构；（b）S参数仿真和测试结果对于功率附加效率的增强，国内外学者通常将功率放大器工作于 F 类或者 J 类等高效率工作状态，来达到提高效率的目的。例如，采用低通响应的紧凑微带谐振单元来匹配 F 类功率放大器[16]或者采用合成带通匹配拓扑来实现 J 类功率放大器[17]。图 1-6 给出了[16]中的功率放大器的结构和相应的紧凑微带谐振单元频率响应。紧凑微带谐振单元（CMRC）是一种微带传输线的特殊结构，该结构具有慢波传输特性和带阻特性。其慢波传输特性能够使微波、毫米波集成电路更加紧凑，减少电路尺寸和重量。

6（a） （b）图1-6 采用CMRC匹配的F类功率放大器[16]；（a）电路结构；（b）CMRC的S参数仿真和测试结果图 1-7 给出了[17]中的采用合成带通匹配拓扑来实现 J 类功率放大器的电路结构和相应的频率响应。其采用的是 J 类功率放大器，通过对放大器进行非线性建模和精确的负载牵引仿真，然后使用合成匹配拓扑的方法对负载牵引得出的最佳阻抗进行匹配。该功率放大器的功率附加效率为 60%以上分数带宽为 18.3%，较传统的 F 类宽，但是其选择性较差，功率放大器的尺寸过大，不符合小型化基站的要求。此外，该方法对非线性模型的建模要求很高，设计复杂度过高。还有的学者为了获得较高的功率附加效率和带通响应，采用微带带通耦合器取代了传统的多尔蒂功率放大器（Doherty PA）输入功率分配器[18]。（a） （b）图1-7 采用合成匹配拓扑来实现J类功率放大器[17]：（a）电路结构；（b）S参数仿真和测试结果除了 F 类和 J 类功率放大器
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本文编号：2838243