面向5G通信的宽带高效F类功率放大器研究
发布时间：2021-01-04 15:18
射频功率放大器作为通信系统中的关键元件,其性能的优劣对通信系统十分重要。优异的射频功放性能直接决定着整个通信系统的通信质量。在当今通信系统中为了获得非常高的数据传输速率,通信运营商使用了非常复杂的非恒包络调制技术。这对整个通信系统提出了非常严格的要求。而随着5G通信的普及,为了能覆盖更多的频谱,通信对带宽的要求也越来越宽。所以提升功放的效率和工作带宽是功放研究的重点。本文通过对宽带高效功放进行理论研究,基于谐波控制方法设计两款宽带高效率的F类功率放大器。论文首先通过对功放分类进行了简单的介绍,然后对功放的匹配方法以及性能提升技术进行了研究,包括滤波结构匹配技术、包络跟踪技术、异相合成技术以及简化实频技术等。然后针对F类功放的设计方法提出了一种功放滤波结构联合设计的方法,针对实现宽带F类功放的方法,提出了一种通过对功放漏极电压引入变化因子,使功放的基波和谐波阻抗有较大的阻抗变化空间,从而对功放的匹配网络就会有较大的设计自由度,这对超宽带功放的实现提供了一种可能。基于滤波匹配技术以及混合连续方法分别设计了两款宽带高效率F类功率放大器,第一款通过一种新型的环形滤波匹配结构实现对功放的高次谐波...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相邻信道比示意图
杭州电子科技大学硕士学位论文26第3章宽带匹配技术研究在射频功率放大器的设计中，能完美的设计输入输出匹配电路而使功放的各项性能参数（比如：输出功率、漏极效率、增益等）达到最优是功放设计的重点和难点。因为对于功放的晶体管来说，在一个频段内，其输入输出阻抗是随着频率的变化而变化的。因此在一定的频段内，功放很难实现较稳定的高效率与较高的输出功率，因此，研究学者提出了多种功放匹配技术，比如多支节匹配技术、滤波结构网络匹配技术、包络跟踪技术（EnvelopeTracking,ET）以及异相合成技术等多种功放设计方法，以在较宽的频带内实现多个频点的匹配效果，实现功放的较好的性能。本章节就几种比较流行匹配技术进行比较详细的分析。3.1短截线匹配技术传统的射频功率放大器的匹配电路一般的是通过若干四分之波长短截线的并联或串联实现各次谐波在对应频点的开路或短路，而实现对谐波的控制，从而实现输入输出阻抗的电路匹配过程。匹配电路的目的就是把晶体管的输出阻抗匹配到所需的负载阻抗一般的是50Ω，从而减小射频输入信号在射频电路中的反射，使信号尽可能多的传输至负载端。此种匹配方法一般的是对晶体管做负载牵引(Loadpull)和源牵引(Sourcepull)从而得出晶体管的负载阻抗和源阻抗，然后在Smith圆图上根据阻抗的共轭匹配理论进行匹配电路设计。如图3.1示例所示。图3.1Smith圆图匹配示意图如图3.2所示的经典匹配结果电路图：PAL1/Z1L2/Z2L3/Z3L4/Z4L5/Z5L6/Z6图3.2匹配结构示意图
杭州电子科技大学硕士学位论文30环形谐振器对频率具有很好的频率选择特性，而且其频率特性曲线具有典型的周期特性。如图3.9所示：(a)(b)图3.9（a）反射系数曲线图（b）传输系数曲线图由于环形谐振器是一种双端口网络，因此在分析这种结构的时候，完全可以根据二端口射频网络理论进行分析，为了简化计算其结构可以等效为图3.10所示λ/4L1L250Ωλ/450Ω图3.10对称结构的等效电路结构图通过传输线的特性矩阵可以推导出理想无耗传输线其对应的矩阵参量为：1011011cossinsincosljZlAjZll=(3.8)2022022cossinsincosljZlAjZll=(3.9)和0Z分别是传输线的特征阻抗和相移常数，将A参量转成Y参量，可以得到Y参量：11112010112122110101cos1sinsin=1cossinsinlYYjZljZlYYYljZljZl=(3.10)
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种高效率E-1/F类GaN HEMT射频功率放大器[J]. 高凯仑,叶焱,谢晋雄,刘太君,许高明. 微波学报. 2019(04)
[2]一种连续F类/逆F类模式转换功率放大器[J]. 张杰,刘太君,叶焱,陆云龙,许高明. 微波学报. 2019(02)
[3]并发双波段可重构功率放大器仿真设计[J]. 李国金,吴凡,南敬昌,高明明. 微电子学. 2019(01)
[4]谐波控制在射频功率放大器设计中的应用[J]. 王嘉文,陶洪琪. 固体电子学研究与进展. 2018(02)
[5]无线通信发展现状及展望[J]. 李军. 通讯世界. 2017(23)
[6]Design of broadband class-F power amplifier for multiband LTE handsets applications[J]. 郑耀华,章国豪,郑瑞清,李思臻,林俊明,陈思弟. Journal of Semiconductors. 2015(08)
[7]用于无线能量传输的高效GaN HEMTF类放大器设计[J]. 王颖,董士伟,董亚洲,付文丽. 空间电子技术. 2015(01)
[8]A Comprehensive Survey of TDD-Based Mobile Communications Systems from TD-SCDMA 3G to TDLTE-Advanced 4G and 5G directions[J]. CHEN Shanzhi,SUN Shaohui,WANG Yingmin,XIAO Guojun,Rakesh Tamrakar. 中国通信. 2015(02)
[9]基于GaN器件的连续型高效宽带功率放大器设计[J]. 李咏乐,南敬昌,杜学坤,游长江. 微波学报. 2014(06)
博士论文
[1]微带滤波器与功率放大器阻抗匹配网络的综合研究[D]. 甘德成.电子科技大学 2018
硕士论文
[1]谐波控制功率放大器与滤波器的联合设计[D]. 方升.华南理工大学 2018
[2]抗干扰接收机射频前端的设计与实现[D]. 康乐.西安电子科技大学 2011
本文编号：2956984
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相邻信道比示意图
杭州电子科技大学硕士学位论文26第3章宽带匹配技术研究在射频功率放大器的设计中，能完美的设计输入输出匹配电路而使功放的各项性能参数（比如：输出功率、漏极效率、增益等）达到最优是功放设计的重点和难点。因为对于功放的晶体管来说，在一个频段内，其输入输出阻抗是随着频率的变化而变化的。因此在一定的频段内，功放很难实现较稳定的高效率与较高的输出功率，因此，研究学者提出了多种功放匹配技术，比如多支节匹配技术、滤波结构网络匹配技术、包络跟踪技术（EnvelopeTracking,ET）以及异相合成技术等多种功放设计方法，以在较宽的频带内实现多个频点的匹配效果，实现功放的较好的性能。本章节就几种比较流行匹配技术进行比较详细的分析。3.1短截线匹配技术传统的射频功率放大器的匹配电路一般的是通过若干四分之波长短截线的并联或串联实现各次谐波在对应频点的开路或短路，而实现对谐波的控制，从而实现输入输出阻抗的电路匹配过程。匹配电路的目的就是把晶体管的输出阻抗匹配到所需的负载阻抗一般的是50Ω，从而减小射频输入信号在射频电路中的反射，使信号尽可能多的传输至负载端。此种匹配方法一般的是对晶体管做负载牵引(Loadpull)和源牵引(Sourcepull)从而得出晶体管的负载阻抗和源阻抗，然后在Smith圆图上根据阻抗的共轭匹配理论进行匹配电路设计。如图3.1示例所示。图3.1Smith圆图匹配示意图如图3.2所示的经典匹配结果电路图：PAL1/Z1L2/Z2L3/Z3L4/Z4L5/Z5L6/Z6图3.2匹配结构示意图
杭州电子科技大学硕士学位论文30环形谐振器对频率具有很好的频率选择特性，而且其频率特性曲线具有典型的周期特性。如图3.9所示：(a)(b)图3.9（a）反射系数曲线图（b）传输系数曲线图由于环形谐振器是一种双端口网络，因此在分析这种结构的时候，完全可以根据二端口射频网络理论进行分析，为了简化计算其结构可以等效为图3.10所示λ/4L1L250Ωλ/450Ω图3.10对称结构的等效电路结构图通过传输线的特性矩阵可以推导出理想无耗传输线其对应的矩阵参量为：1011011cossinsincosljZlAjZll=(3.8)2022022cossinsincosljZlAjZll=(3.9)和0Z分别是传输线的特征阻抗和相移常数，将A参量转成Y参量，可以得到Y参量：11112010112122110101cos1sinsin=1cossinsinlYYjZljZlYYYljZljZl=(3.10)
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种高效率E-1/F类GaN HEMT射频功率放大器[J]. 高凯仑,叶焱,谢晋雄,刘太君,许高明. 微波学报. 2019(04)
[2]一种连续F类/逆F类模式转换功率放大器[J]. 张杰,刘太君,叶焱,陆云龙,许高明. 微波学报. 2019(02)
[3]并发双波段可重构功率放大器仿真设计[J]. 李国金,吴凡,南敬昌,高明明. 微电子学. 2019(01)
[4]谐波控制在射频功率放大器设计中的应用[J]. 王嘉文,陶洪琪. 固体电子学研究与进展. 2018(02)
[5]无线通信发展现状及展望[J]. 李军. 通讯世界. 2017(23)
[6]Design of broadband class-F power amplifier for multiband LTE handsets applications[J]. 郑耀华,章国豪,郑瑞清,李思臻,林俊明,陈思弟. Journal of Semiconductors. 2015(08)
[7]用于无线能量传输的高效GaN HEMTF类放大器设计[J]. 王颖,董士伟,董亚洲,付文丽. 空间电子技术. 2015(01)
[8]A Comprehensive Survey of TDD-Based Mobile Communications Systems from TD-SCDMA 3G to TDLTE-Advanced 4G and 5G directions[J]. CHEN Shanzhi,SUN Shaohui,WANG Yingmin,XIAO Guojun,Rakesh Tamrakar. 中国通信. 2015(02)
[9]基于GaN器件的连续型高效宽带功率放大器设计[J]. 李咏乐,南敬昌,杜学坤,游长江. 微波学报. 2014(06)
博士论文
[1]微带滤波器与功率放大器阻抗匹配网络的综合研究[D]. 甘德成.电子科技大学 2018
硕士论文
[1]谐波控制功率放大器与滤波器的联合设计[D]. 方升.华南理工大学 2018
[2]抗干扰接收机射频前端的设计与实现[D]. 康乐.西安电子科技大学 2011
本文编号：2956984
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