2.4GHz~2.7GHz高效率、高功率射频功率放大器的研究与设计

发布时间：2017-05-31 14:08

  本文关键词：2.4GHz~2.7GHz高效率、高功率射频功率放大器的研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,无线通信已成为人们生活中不可或缺的一部分。功率放大器处于无线通信系统的射频前端,是通信系统中最主要的耗能模块之一,其性能直接影响无线通信系统的通信质量和通信距离,并且很大程度决定着系统的耗能。砷化镓异质结双极型晶体管(GaAs HBT)具有单电源供电、高功率密度、高效率、高线性等优点,广泛应用于无线通信系统的射频功率放大器中。本文对提高GaAs HBT功率放大器的输出功率和增强效率两方面进行具体了的研究和探讨。本文首先详细研究了高功率功放的电路拓扑堆叠晶体管结构和谐波控制提高功放效率的设计方法,然后基于研究结果,提出对堆叠式功放进行谐波控制设计,实现了一款2.4GHz-2.7GHz高效率、高功率的功放芯片。论文的主要工作和创新点如下：(1)针对堆叠式功率放大器的层间不能获得最佳的功率匹配的问题,提出在堆叠式功放上层晶体管基极加入接地的串联电阻、电容结构,使堆叠式功放的各层晶体管均能获得最佳的负载阻抗,从而各层晶体管能同时获得最佳的功率输出。该设计方法有效地改善了堆叠式功放中各层晶体管的功率合成效率,并提高了堆叠式功放的效率与线性度。测试结果表明本文设计的堆叠式功放较传统的堆叠式功放PIdB输出时效率能改善6%,功率回退6dB时EVM能改善1.8dB。(2)针对线性工作模式功放效率不高的问题,提出利用GaAs HBT的非线性输出电容对共射极连接放大器的输出基波及二次谐波负载进行调整,提高功放基波输出功率。该方法能够提高共射极连接放大器的功率输出,减少功率损耗,提高功放的效率。测试结果表明相对于只进行输出基波匹配的功放,其输出功率能提高1.3dB,效率提高9.2%。(3)基于控制堆叠式功放输出及层间的二次谐波改进设计了功放,进一步提高了功放的效率。利用堆叠式功放各层晶体管的非线性输出电容及外接并联电容和上层晶体管基极接地的串联电阻、电容对各层晶体管的基波和二次谐波负载进行设计,使各层晶体管的输出电压波形可控,提高各层晶体管的功率输出能力,减小功放功率损耗。该设计方法为谐波控制提高堆叠式功放效率提供了解决方案,具有高的可行性,并且可移植于其他异质结双极型晶体管工艺的堆叠式功放设计中。最后,基于2μm GaAs HBT工艺设计了一款2.4GHz-2.7GHz采用输出二次谐波控制的两级堆叠式功率放大器。实验表明在9V的供电电压条件下,其带内小信号增益高于30dB,2.5GHz时输出P1dB达34.2dBm,此时的功率附加效率达48%。电路仿真与测试结果一致性较好,验证了采用二次谐波控制进行堆叠式功放设计的可行性。
【关键词】：砷化镓异质结双极型晶体管 功率放大器 效率 最佳负载 二次谐波
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN722.75
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 无线通信发展背景及课题研究意义10-11
• 1.2 射频功率放大器的发展现状11-21
• 1.2.1 半导体技术的发展11-13
• 1.2.2 高功率、高效率放大器研究现状13-21
• 1.3 本文的主要创新点及内容安排21-24
• 第二章 高效率、高功率射频功放的关键技术及器件模型24-43
• 2.1 功率放大器的主要指标24-27
• 2.2 高功率放大器的功率匹配及匹配网络27-34
• 2.2.1 功率匹配及负载牵引原理27-31
• 2.2.2 匹配网络拓扑31-34
• 2.3 谐波控制提高功放效率理论34-37
• 2.4 电路设计中器件模型37-42
• 2.4.1 有源器件模型37-39
• 2.4.2 无源器件模型39-42
• 2.5 小结42-43
• 第三章 高功率放大器的研究43-62
• 3.1 传统堆叠结构高功率放大器43-48
• 3.2 新型堆叠式功率放大器48-55
• 3.2.1 新型堆叠式功率放大器的结构48-53
• 3.2.2 堆叠式功率放大器效率及线性分析53-55
• 3.3 新型堆叠式功放设计与验证55-60
• 3.4 小结60-62
• 第四章 高效率放大器的研究62-87
• 4.1 电流模式放大器原理62-66
• 4.2 改进型二次谐波控制高效率功放的设计方法66-80
• 4.2.1 输出二次谐波控制对负载阻抗的要求66-73
• 4.2.2 GaAs HBT非线性输出电容对负载阻抗的影响73-80
• 4.3 功放输出二次谐波控制的实现与验证80-85
• 4.4 小结85-87
• 第五章 高效率、高功率放大器的设计87-105
• 5.1 改进型高效率、高功率谐波控制堆叠式功放87-89
• 5.2 谐波控制堆叠式功放电路设计89-96
• 5.2.1 稳定性设计89-91
• 5.2.2 谐波控制堆叠式功率放大器电路拓扑91-92
• 5.2.3 偏置电路设计92-95
• 5.2.4 整体电路仿真95-96
• 5.3 谐波控制堆叠式功放版图设计及仿真96-100
• 5.4 测试结果及分析100-104
• 5.5 小结104-105
• 第六章 总结与展望105-108
• 致谢108-109
• 参考文献109-118
• 在读期间发表的论文与取得的其他研究成果118

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