多模多帶功率放大器研究.pdf

1、隨著無線通信標(biāo)準(zhǔn)的多樣化發(fā)展，射頻發(fā)射機(jī)中所有組件都需要同時(shí)處理多種模式和多種頻帶的通信信號(hào)。在射頻發(fā)射機(jī)中負(fù)責(zé)將小功率信號(hào)轉(zhuǎn)化為合適的大功率信號(hào)的功率放大器，其工作特性與信號(hào)頻率密切相關(guān)，因此也需要多模多帶化。根據(jù)信號(hào)的分布特點(diǎn)，本文提出兩類功率放大器的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)對(duì)多種模式和多種頻帶的信號(hào)進(jìn)行放大：當(dāng)需要處理的信號(hào)分布在一個(gè)倍頻程內(nèi)，采用寬帶高效率功率放大器技術(shù)；當(dāng)需要處理的信號(hào)分布超過一個(gè)倍頻程，采用多帶高效率功率放大器技術(shù)。本

2、文首先分析了次定逆E類功率放大器和次定E類功率放大器兩類高效率功率放大器，然后分別對(duì)寬帶功率放大器和多帶功率放大器進(jìn)行了研究。本文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)包含以下四個(gè)方面。
　　1.次定（Sub-nominal）逆E類功率放大器性能分析。逆E類功率放大器的負(fù)載電阻在實(shí)際工作會(huì)發(fā)生一定的變化。當(dāng)它的負(fù)載電阻變化時(shí)，逆E類功率放大器僅滿足零電流切換，而不再滿足零電流導(dǎo)數(shù)切換。為了和同時(shí)滿足零電流切換和零電流導(dǎo)數(shù)切換的準(zhǔn)定逆E類功率放大器相區(qū)

3、別，將只滿足零電流切換的逆E類功率放大器命名為次定逆E類功率放大器。本文分析了次定條件逆E類功率放大器的性能表現(xiàn)，結(jié)果顯示次定條件逆E類功率放大器具有100％的理論漏極效率。并且由于零電流導(dǎo)數(shù)切換條件的取消，次定條件逆E類功率放大器新增一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，提高了次定條件逆E類功率放大器設(shè)計(jì)自由度。考慮到信號(hào)占空比對(duì)次定條件逆E類功率放大器性能也有一定的影響，本文接著分析了任意占空比信號(hào)驅(qū)動(dòng)下的次定逆E類功率放大器的性能。分析表明次定逆E類功率

4、放大器在任意占空比和任意次定條件下的理論漏極效率皆為100%。為了驗(yàn)證任意占空比信號(hào)驅(qū)動(dòng)的次定逆E類功率放大器的性能，在穩(wěn)懋半導(dǎo)體0.1μm GaAs p-HEMT基底上設(shè)計(jì)了一個(gè)次定逆E類功率放大器，仿真結(jié)果和理論結(jié)果高度一致，驗(yàn)證了所提出理論的正確性。
　　2.次定連續(xù)E類功率放大器設(shè)計(jì)。本文通過分析發(fā)現(xiàn)，漏極電流在開關(guān)切換時(shí)刻的時(shí)延對(duì)次定E類功率放大器的效率有較大的影響，為了降低漏極電流在開關(guān)切換時(shí)刻對(duì)次定E類功率放大器效率

5、的影響，本文提出了工作在次定條件下的連續(xù)E類功率放大器。次定連續(xù)E類功率放大器意味著E類功率放大器僅滿足零電壓切換，它通過對(duì)基波和二次諧波阻抗的調(diào)整，不僅可以表現(xiàn)出100%的理論漏極效率；還可以表現(xiàn)出寬帶的特性。相比傳統(tǒng)的基于電抗補(bǔ)償技術(shù)的E類寬帶功率放大器，次定條件連續(xù)E類功率放大器帶寬更寬，設(shè)計(jì)自由度更多，設(shè)計(jì)過程更加簡單。
　　3.寬帶高效率功率放大器。當(dāng)信號(hào)帶寬分布在一個(gè)倍頻程內(nèi)，寬帶高效率功率放大器是一個(gè)較優(yōu)的解決方案。

6、本文首先采用電抗補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)次定逆E類功率放大器的帶寬進(jìn)行了拓寬?？紤]到寬帶次定逆E類功率放大器常用于集成電路，本文提出兩類面向基站的寬帶高效率功率放大器方案：擴(kuò)展的連續(xù)F類功率放大器和基于損耗最小的切比雪夫?qū)拵Чβ史糯笃?。通過對(duì)傳統(tǒng)的連續(xù)F類功率放大器的電流電壓波形分析，發(fā)現(xiàn)它只能在一個(gè)倍頻程內(nèi)獲得高效率，因此本文提出一種改進(jìn)方案，極大地?cái)U(kuò)寬了傳統(tǒng)連續(xù)F類功率放大器的帶寬。實(shí)驗(yàn)表明改進(jìn)的連續(xù)F類功率放大器能在0.4-2.3 GHz范圍

7、內(nèi)表現(xiàn)出較高的效率和合理的增益。另外，傳統(tǒng)的基于損耗最小的切比雪夫匹配理論的帶寬匹配技術(shù)由于采用了諾頓變換器，常常出現(xiàn)無解的局面。本文采用簡化實(shí)頻技術(shù)對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的方法避免了解空間狹小這一缺點(diǎn)，擴(kuò)大了該方法的使用范圍。利用該方法設(shè)計(jì)的寬帶高效率功率放大器的增益波動(dòng)在1 dB內(nèi)。
　　4.雙帶和三帶功率放大器。當(dāng)信號(hào)帶寬分布超過一個(gè)倍頻程，多帶功率放大器是一個(gè)更好的解決方案。為了實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)的功率放大器級(jí)間匹配，首先提出了

8、一個(gè)基于無損微帶線的Π型雙帶阻抗變換器。它能夠在任意兩個(gè)頻點(diǎn)，將兩個(gè)任意的復(fù)數(shù)源阻抗變換到另外兩個(gè)任意的復(fù)數(shù)負(fù)載阻抗。傳統(tǒng)的同類雙帶阻抗變換器需要求解一元四次方程，并需要手工驗(yàn)證解的正確性。而本文所提出的雙帶阻抗變換器設(shè)計(jì)簡單，適合CAD自動(dòng)設(shè)計(jì)。本文其次提出了一種基于傳輸功率增益的多帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化法，并通過改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法求解。在此基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)了基于基波和二次諧波阻抗控制的雙帶功率放大器和基于非零電壓導(dǎo)數(shù)切換的三帶E類功率