毫米波宽带射频系统及宽带高效率功率放大器的研究

发布时间：2018-04-17 11:00

本文选题：下一代移动通信 + 宽带　；参考：《东南大学》2016年博士论文

【摘要】：随着移动通信技术的发展及无线传输业务的不断普及,无线通信系统需要提供越来越快的数据传输速率以满足人们对于大容量数据传输的需求,如无压缩高清视频传输、高清无线显示等等。根据规划,下一代移动通信系统要提供比现在快1000倍的传输速率。为了达到这一目标,无线系统势必需要占用更大的工作带宽,达到几百MHz,甚至上GHz。另外,下一代无线系统需要更高的效率以实现能源的节约。为了顺应未来移动通信发展的趋势,本文研究了毫米波宽带射频收发系统以及高效率功率放大器的宽带化设计。由于毫米波频段频谱资源丰富,毫米波通信技术成为下一代无线通信候选方案之一,受到了广泛的关注与研究。本文研制了毫米波宽带射频系统,用于支持对于毫米波通信技术的研究。着重解决了带内不平坦对于单载波系统性能的影响。为了解决毫米波频段普通滤波器插入损耗较大的问题,本文对基片集成波导(SIW)滤波器进行了研究。作为射频系统关键器件之一的功率放大器,消耗了发射机中的绝大部分能量,高效率的功率放大器对整个系统的功耗指标有着重要影响。功率放大器被寄予希望能够在宽的带宽范围内实现高效率,覆盖更多的通信标准,更好地适应未来无线通信的发展。近年来,功率放大器高效率、宽带化设计一直是研究的热点。本文研究的具体内容如下:1)基片集成波导(SIW)滤波器因其较小的插入损耗、易于平面集成等优势成为毫米波频段设计系统时的首选。为了提高滤波器的选择性,需要在通带附近引入传输零点(TZ)。文中研究了交叉耦合滤波器的设计,综合采用不同腔体之间的耦合以及同一腔体内不同模式之间的耦合,设计了一款工作于28 GHz的带通滤波器,带宽为600 MHz。由于27 GHz、29GHz处引入了传输零点,所设计的滤波器具有很好的过渡带特性。SIW滤波器由于高次模谐振,会在上边带内出现很多个谐振峰,进而使得所设计的带通滤波器的阻带带宽受限。文中采用了两种抑制高次模式的方法,一种方法是在腔体的金属表面刻蚀细缝,另一种方法是采用双耦合窗进行腔体与腔体之间的耦合。文中对这两者方法作了相关分析。然后设计了一款中心频率在20 GHz的带通滤波器,由于高次模被有效的抑制,上阻带内第一个谐振峰出现在50GHz处,并且阻带内的抑制达到30dB,阻带带宽被有效地拓宽。相关研究成果一部分在国际会议2016IEEEInternational Symposium on Circuits and Systems(ISCAS2016)上发表,一部分撰文投稿至国际刊物IET Electronics Letters。2)研制了一套用于Q波段的毫米波通信的收发系统。该系统工作的中心频点为44.82 GHz,支持500 MHz的工作带宽。系统采用超外差结构,与基带采用单端I/Q接口,与天线相接采用SIW过渡接口。中频点设为3.78 GHz。为了评估整个系统的性能,进行了无线环境的测试,在收发天线间隔2m的情况下,分别用16QAM以及QPSK宽带调试信号作测试,两种信号的码片速率都为400 Ms/s。信号经过发射机发送,由空间辐射,最终由接收机接收到的信号经过解调后,信噪比(SNR)约为20dB。相关研究成果已撰文在国际会议2016 International Conference on Microwave and Millimever Wave Technology(ICMMT2016)上发表。3)针对中国毫米波近远程超高速通信标准Q-LINKPAN,研发原型机以支持相关研究。设计的系统采用二次变频结合基带实中频采样的结构。基带发送/接收信号为某一载波频率上的实信号,经过两次混频器变频至毫米波信号。系统毫米波中心频点为42.795 GHz,支持576 MHz的系统带宽。接收端基带配有采样率为1.92 GHz的AD芯片,用于采样中心频点为1.44 GHz的信号。发送端基带DA采样率为2.64 GHz,产生中心频点为1.98 GHz的信号。系统采用TDD工作模式。系统单通道收发性能采用码片速率为480 MHz的单载波64QAM信号进行无线测试,接收到的信号经过数字均衡后达到28 dB的信噪比。系统采用2×4 MIMO方式工作后,系统的传输速率高达4095 Mbps。4)研究了连续逆F类功率放大器的电压和电流的理论波形,并对其做出修正,使得三次谐波阻抗变成一个可以变化的范围,进一步释放对于阻抗条件的限制。相应地设计一个工作在2.1～2.4 GHz的高效率功率放大器进行验证,比较了实际输出网络阻抗与理论阻抗条件的契合度。所设计的功率放大器在带内保持大于71%的漏极效率。相关研究成果已在国际刊物Microwave Journal上发表。5)研究了宽带功率放大器设计中的匹配网络设计问题。文中对传统的简化实频技术(SRFT)算法进行了修改,能够一次性综合出包含有用于直流馈电枝节的匹配网路,并且综合出的网络结构十分紧凑。利用提出的算法设计了一个工作在1.7～3.1 GHz的宽带高效率功率放大器,在带内具有68.07%～79.49%的漏极效率和40.93～42.4 dBm的输出功率。另外由于匹配网络结构紧凑,设计的功率放大器具有非常小的尺寸。相关研究成果已在国际刊物IEEE Microwave and Wireless Componens Letters上发表。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN722.75;TN928

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