5G频段J类功放的理论研究及应用
发布时间：2021-02-28 21:11
无线移动通信系统不断发展,朝着多种工作模式、高速率的方向演进。功率放大器是通信系统射频前端的重要部件,其宽带性能和高效率性能是实现高速率通信和绿色运营的基础。J类功放是近些年来出现的一种新型功放,其谐波控制原理和连续工作模式理念,给功放设计带来了新的思路。总结当前J类功放的研究,得到如下背景要点:（1）大多研究集中在通过改进J类功放的匹配网络结构实现效率的提升,而对J类功放的高效率与波形关系的研究较少;（2）连续工作模式可以一定程度上改善功放带宽的局限性,但这种改善提升带宽和效率的效果有限;（3）J类功放在5G系统中的应用研究还不够充分。本论文的工作,就是针对上述背景而展开。本论文首先研究了J类功放的谐波控制理论,探究功放高效率波形的影响因素;其次,基于连续空间理论,研究了通过外部扩展电容实现变换的阻抗空间,提升功放平均效率的技术途径;第三,围绕J类功放理论及其在5G系统的应用,针对5G通信系统中高峰均比信号使功放的平均效率下降问题,研究了动态匹配的高效率J类功放方案,完成了一款基于动态匹配网络高效率J类功放的设计与物理验证。论文具体工作如下:1.系统性总结了J类功放的主要技术指标和基...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
功放输出功率与输出功率的关系
第二章J类功放技术的理论与设计研究112.2J类功放的实现原理最基本的J类功放电路结构定义如图2-2所示，它的组成非常简单：包括一个理想功放管、漏源电容dsC、漏极偏置电路、栅极偏置电路、输入匹配网络及传输线0Z,和电容fC构成的基波匹配网络。理想的功放晶体管中不包含各种寄生参数，但实际工程应用中所用到的晶体管因为封装原因产生寄生参量，漏源电容dsC是功放管的寄生电容。功放工作在J类工作模式时，晶体管通常偏置在B类或者深AB工作点，此时晶体管的导通角在180~250度之间，有利于输出丰富的谐波成分，J类功放通过对基波和二次谐波进行控制，达到提升效率的目的。图2-2最基本的J类功放的电路结构2.2.1谐波控制原理谐波控制技术是实现高效率J类功放的基矗假设功放晶体管的导通角为，其漏极输出电流可表示为：cos,22dsqpeakiII(2-9)02or2dsi，(2-10)qI为晶体管的静态电流，peakI为负载电流的最大值，其中：cos2qpeakII，peakmaxqIII(2-11)可得出：
电子科技大学硕士学位论文20传统的宽带匹配网络通常用集总元件或分布元件进行设计，考虑到功放的带宽特性，在进行匹配网络的宽带设计时，可以通过增加匹配网路节数的方式来拓展带宽，频带越宽，匹配电路越复杂，如图2-6图所示。Q值是反应匹配电路灵敏度的指标，Q值越小，匹配电路的灵敏度越高，功放的宽带性能越好。(a)(b)图2-6微带线匹配网络。(a)单分支匹配电路；(b)双分支匹配电路传统的宽带匹配通过增加匹配网络节数实现带宽的拓展，这种做法无疑增加了电路的复杂度，并且当最佳阻抗值随频率或功率的发生较大变化时，传统的匹配网络对最优阻抗区域的覆盖有限。连续阻抗空间解是连续J类功放的基本阻抗特征，是实现功放宽带性能的理论基矗其思想通过拓展功放的阻抗空间范围，在一定的带宽范围内，得到一个确保功放输出效率和功率的理论最优阻抗解集合，从而达到带宽拓展的目的。当前所研究的连续型功放（如连续J类功放、连续F类等）就是基于连续阻抗空间理论，通过改变漏极输出基波和二次谐波的波形幅度，得到更大的连续阻抗解空间，从而实现对带宽的拓展。晶体管的输出电容理论被证实是拓展功放带宽的另一种有效方案，原因在于输出电容可产生大量的谐波分量，使得基于波形控制得到的基波和二次谐波特定阻抗条件被大大弱化，扩大了功放的阻抗空间解范围。扩大阻抗空间理论上可以在增大功放带宽同时，一定程度上保证功放的效率。5G通信系统因高峰均比信号，在功率回退时会出现效率下降问题。受晶体管寄生参数的影响，功放的最佳阻抗值随功放频率和功率的变化而变化，功率回退情况下，功放的阻抗值偏离最佳阻抗区域，传统的固定匹配网络的阻抗空间无法满足最佳阻抗匹配的要求，造成了功放效率的下降。为了提升5G通信系统的平均效率，
【参考文献】：
期刊论文
[1]线性功放中数字预失真方法的实验研究[J]. 幸波,蒋伟,王晶琦,朱晓维. 微波学报. 2009(03)
博士论文
[1]无线通信中的宽带高效率功率放大器及GaN HEMT器件建模研究[D]. 杜学坤.电子科技大学 2018
[2]GaN高电子迁移率晶体管特性及其功率放大器研究[D]. 冷永清.湖南大学 2013
硕士论文
[1]开关类射频功率放大器波形研究[D]. 齐冲冲.电子科技大学 2019
[2]基于可变匹配网络的可重构功率放大器研究[D]. 唐小彬.电子科技大学 2019
[3]可重构连续型BJ类功放技术的研究[D]. 谢丹.电子科技大学 2018
[4]J类功放及其在多模移动基站中的应用研究[D]. 吴普超.电子科技大学 2015
[5]新型宽带高效率J类功率放大器的研究[D]. 王振阳.中国科学技术大学 2014
[6]谐波控制类高效率功率放大器研究[D]. 董磊.电子科技大学 2012
[7]超宽带（UWB）无线通信技术[D]. 苗剑.西安电子科技大学 2004
本文编号：3056462
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
功放输出功率与输出功率的关系
第二章J类功放技术的理论与设计研究112.2J类功放的实现原理最基本的J类功放电路结构定义如图2-2所示，它的组成非常简单：包括一个理想功放管、漏源电容dsC、漏极偏置电路、栅极偏置电路、输入匹配网络及传输线0Z,和电容fC构成的基波匹配网络。理想的功放晶体管中不包含各种寄生参数，但实际工程应用中所用到的晶体管因为封装原因产生寄生参量，漏源电容dsC是功放管的寄生电容。功放工作在J类工作模式时，晶体管通常偏置在B类或者深AB工作点，此时晶体管的导通角在180~250度之间，有利于输出丰富的谐波成分，J类功放通过对基波和二次谐波进行控制，达到提升效率的目的。图2-2最基本的J类功放的电路结构2.2.1谐波控制原理谐波控制技术是实现高效率J类功放的基矗假设功放晶体管的导通角为，其漏极输出电流可表示为：cos,22dsqpeakiII(2-9)02or2dsi，(2-10)qI为晶体管的静态电流，peakI为负载电流的最大值，其中：cos2qpeakII，peakmaxqIII(2-11)可得出：
电子科技大学硕士学位论文20传统的宽带匹配网络通常用集总元件或分布元件进行设计，考虑到功放的带宽特性，在进行匹配网络的宽带设计时，可以通过增加匹配网路节数的方式来拓展带宽，频带越宽，匹配电路越复杂，如图2-6图所示。Q值是反应匹配电路灵敏度的指标，Q值越小，匹配电路的灵敏度越高，功放的宽带性能越好。(a)(b)图2-6微带线匹配网络。(a)单分支匹配电路；(b)双分支匹配电路传统的宽带匹配通过增加匹配网络节数实现带宽的拓展，这种做法无疑增加了电路的复杂度，并且当最佳阻抗值随频率或功率的发生较大变化时，传统的匹配网络对最优阻抗区域的覆盖有限。连续阻抗空间解是连续J类功放的基本阻抗特征，是实现功放宽带性能的理论基矗其思想通过拓展功放的阻抗空间范围，在一定的带宽范围内，得到一个确保功放输出效率和功率的理论最优阻抗解集合，从而达到带宽拓展的目的。当前所研究的连续型功放（如连续J类功放、连续F类等）就是基于连续阻抗空间理论，通过改变漏极输出基波和二次谐波的波形幅度，得到更大的连续阻抗解空间，从而实现对带宽的拓展。晶体管的输出电容理论被证实是拓展功放带宽的另一种有效方案，原因在于输出电容可产生大量的谐波分量，使得基于波形控制得到的基波和二次谐波特定阻抗条件被大大弱化，扩大了功放的阻抗空间解范围。扩大阻抗空间理论上可以在增大功放带宽同时，一定程度上保证功放的效率。5G通信系统因高峰均比信号，在功率回退时会出现效率下降问题。受晶体管寄生参数的影响，功放的最佳阻抗值随功放频率和功率的变化而变化，功率回退情况下，功放的阻抗值偏离最佳阻抗区域，传统的固定匹配网络的阻抗空间无法满足最佳阻抗匹配的要求，造成了功放效率的下降。为了提升5G通信系统的平均效率，
【参考文献】：
期刊论文
[1]线性功放中数字预失真方法的实验研究[J]. 幸波,蒋伟,王晶琦,朱晓维. 微波学报. 2009(03)
博士论文
[1]无线通信中的宽带高效率功率放大器及GaN HEMT器件建模研究[D]. 杜学坤.电子科技大学 2018
[2]GaN高电子迁移率晶体管特性及其功率放大器研究[D]. 冷永清.湖南大学 2013
硕士论文
[1]开关类射频功率放大器波形研究[D]. 齐冲冲.电子科技大学 2019
[2]基于可变匹配网络的可重构功率放大器研究[D]. 唐小彬.电子科技大学 2019
[3]可重构连续型BJ类功放技术的研究[D]. 谢丹.电子科技大学 2018
[4]J类功放及其在多模移动基站中的应用研究[D]. 吴普超.电子科技大学 2015
[5]新型宽带高效率J类功率放大器的研究[D]. 王振阳.中国科学技术大学 2014
[6]谐波控制类高效率功率放大器研究[D]. 董磊.电子科技大学 2012
[7]超宽带（UWB）无线通信技术[D]. 苗剑.西安电子科技大学 2004
本文编号：3056462
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