應(yīng)用于多模多頻的寬帶高效率功率放大器設(shè)計(jì).pdf

1、隨著第三代（3G）移動(dòng)通信技術(shù)的普及應(yīng)用和第四代（4G）移動(dòng)通信趨于成熟的發(fā)展，現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)呈現(xiàn)出多種通信制式并存、多個(gè)通信頻段并列的局面。多模式、多頻段系統(tǒng)操作不可避免地成為了未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。各種通信制式均朝著高信號(hào)峰均比（Peak-to-Average Power Ratios，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PAPR）、多載波、大信號(hào)容量的方向發(fā)展。在現(xiàn)如今倡導(dǎo)綠色、節(jié)能、環(huán)保的時(shí)代背景下，如何把不同工作模式的調(diào)制系統(tǒng)在同一工作平臺(tái)上

2、并存實(shí)現(xiàn)越來(lái)越引起人們的關(guān)注，這些都對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用的寬帶功率放大器提出了更高的要求。作為無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)末端的核心模塊，功率放大器的性能直接影響了整個(gè)通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸質(zhì)量。因此，在保持高信號(hào)峰均比和高效率工作的同時(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)大功率放大器的工作帶寬具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文的主要工作集中在寬帶高效率功率放大器的研究和設(shè)計(jì)上。
　　論文首先介紹了功率放大器的基礎(chǔ)理論知識(shí)，包括功率放大器的分類(lèi)、性能參數(shù)指標(biāo)，以及功

3、放設(shè)計(jì)中核心的負(fù)載線理論及負(fù)載牽引技術(shù)；接著介紹了幾種常用的寬帶功放實(shí)現(xiàn)技術(shù)和效率提升技術(shù)，著重對(duì)功率放大器飽和輸出及功率回退兩種不同情況下的效率提升技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，為后文寬帶高效率功放的實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)；然后對(duì) Doherty功率放大器的基本原理以及其核心的有源負(fù)載牽引理論進(jìn)行了研究，對(duì) Doherty功放不同工作狀態(tài)下負(fù)載阻抗的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程和效率特性進(jìn)行分析，并簡(jiǎn)單介紹了幾種新型的Doherty功放結(jié)構(gòu)。
　　基于前述功放基

4、礎(chǔ)理論以及一些拓展帶寬、提升效率的技術(shù)方法，本文采用一種簡(jiǎn)單實(shí)用的寬帶直流偏置結(jié)構(gòu)，并利用源/負(fù)載牽引仿真確定電路在整個(gè)工作頻段內(nèi)的最優(yōu)阻抗趨勢(shì)并繪制出阻抗趨勢(shì)圖，然后選取簡(jiǎn)單的匹配結(jié)構(gòu)，利用 Smith圓圖軌跡法設(shè)計(jì)出匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了寬帶高效率功率放大器的設(shè)計(jì)，方法簡(jiǎn)便，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。接著以寬帶高效率單級(jí)功放為基礎(chǔ)，選取合適的 Doherty功放結(jié)構(gòu)，并提出一種新型的低輸出阻抗匹配方法，結(jié)合寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)和寬帶阻抗變換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了寬帶反向

5、Doherty功放的設(shè)計(jì)，方法簡(jiǎn)單。
　　按照上述設(shè)計(jì)方法，首先針對(duì)低功率級(jí)寬帶高效率功率放大器的應(yīng)用完成設(shè)計(jì)。第一步仿真并實(shí)現(xiàn)了10W寬帶高效率功率放大器，測(cè)試結(jié)果顯示，在工作頻段1.8-2.7GHz內(nèi)，電路的飽和輸出功率在42-42.5dBm之間，飽和狀態(tài)下功率附加效率在56％-67.8%之間，輸出功率方面的性能優(yōu)勢(shì)明顯。第二步基于上述電路，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了工作在1.8-2.7GHz的20W寬帶反向 Doherty功放，測(cè)試結(jié)果顯

6、示，在連續(xù)波信號(hào)下飽和輸出功率達(dá)到43.2-45.1dBm，在功率回退6.7-8.6dB（Pout=36.5dBm）時(shí)，電路的漏極效率在41.5-45.3%之間。用WCDMA信號(hào)驅(qū)動(dòng)該功率放大器，當(dāng)Pout=36.5dBm時(shí)，電路的漏極效率在45.3-48.6%之間，在信號(hào)頻偏5MHz的情況下，ACPR（Adjacent Channel Power Ratio，相鄰信道功率比）的值均小于-27.4dBc，在2.1GHz處甚至達(dá)到了-40

7、.3dBc。據(jù)作者所知，該電路的工作帶寬在現(xiàn)有的文章報(bào)道中是最寬的。
　　其次，針對(duì)高功率級(jí)寬帶高效率功率放大器的應(yīng)用完成設(shè)計(jì)。第一步完成了100W寬帶高效率功放的仿真設(shè)計(jì)及實(shí)物測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，在工作頻段1.8-2.7GHz內(nèi)，除了2.7GHz的輸出功率較差外（Psat=47.5dBm），其他頻段內(nèi)電路的飽和輸出功率在49.3-50.5dBm之間，整個(gè)頻段飽和輸出下的功率附加效率在55.3%-65.7%之間。第二步基于上述電路

8、，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了工作在1.8-2.7GHz的200W寬帶反向Doherty功放，測(cè)試結(jié)果顯示，在整個(gè)工作頻段內(nèi)，電路的P-3輸出功率在47.5-52.93dBm之間，各頻點(diǎn)功率回退至Pout=46dBm時(shí)，電路的漏極效率在34.2%-45.9%之間。
　　本文對(duì)于寬帶高效率功率放大器以及寬帶 Doherty功率放大器的設(shè)計(jì)方法作了較為全面的分析總結(jié)，基于GaN HEMT功率管設(shè)計(jì)了工作在1.8-2.7GHz的10W寬帶高效率功率放大