【摘 要】
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功率放大器（power amplifier,PA）是无线通信系统中重要的组成部分,效率、带宽、线性度是PA三个最为关键的性能指标,直接影响整个无线通信系统的工作性能。在谐波调谐（harmonic-tuned,HT）类PA效率提升方面,波形分析一直扮演着核心角色:从波形分析角度入手,通过控制各次谐波,最大程度降低晶体管漏极电压、电流波形的重叠和谐波功率,从而塑造出能够实现高效率的输出波形。此外,“连
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功率放大器（power amplifier,PA）是无线通信系统中重要的组成部分,效率、带宽、线性度是PA三个最为关键的性能指标,直接影响整个无线通信系统的工作性能。在谐波调谐（harmonic-tuned,HT）类PA效率提升方面,波形分析一直扮演着核心角色:从波形分析角度入手,通过控制各次谐波,最大程度降低晶体管漏极电压、电流波形的重叠和谐波功率,从而塑造出能够实现高效率的输出波形。此外,“连续型”概念的引入,对提升HT类PA宽带性能有着巨大作用。然而,当前HT类PA设计理论存在以下不足:（1）大多都是在晶体管理想模型下电流源平面进行波形分析,并未考虑非理想因素（输入非线性效应、输出非线性效应、非零膝点电压、寄生封装等）对波形的影响;（2）未包含对晶体管输入波形作用的分析。本论文针对上述不足,进行了基于波形分析的宽带高效率PA研究分析与设计验证。本文首先分析了HT类PA实现高效率的必要条件,系统性分析总结了理想晶体管输出电压、电流波形与高效率的关系;随后,对非理想情况下影响晶体管输入、输出波形的器件因素进行了研究;然后,利用晶体管的输入非线性改变输入波形进而控制输出波形,提出一种新的“C-HT3类”PA,可以实现更高的效率;最后,进行拓展,提出“连续C-HT3类”PA,同时实现高效率和宽带目标。作为设计实例,完成了基于波形分析的单频点和宽带高效率PA的仿真设计和实物验证。论文具体工作内容如下:（1）高效率输出波形研究。基于现有PA理论和晶体管理想模型,从功率平衡角度出发,分析了HT类PA实现高效率的必要条件;从波形角度,在控制到三次谐波的前提下,系统性研究和总结了二次谐波调谐（HT2）、三次谐波调谐（HT3）、二次三次谐波调谐(HT2,3)三种情况下分别的最优漏极输出电压波形;分析研究了不同的漏极输出电流波形与高效率输出电压波形组合在不同导通角范围内的可行性。（2）器件因素对PA波形的影响研究。深入分析了晶体管的一般性模型,研究了晶体管输入非线性效应、输出非线性效应、非零膝点电压、寄生封装等因素对输入、输出波形的影响。（3）基于输入非线性的高效率波形研究。通过对栅极二次谐波分量加以控制利用,发现了一种新的漏极输出电压、电流波形的可实现组合方式,即工作在C类偏置条件下的HT3类PA,命名为“C-HT3类”,推导出输出电压、电流波形函数解析式,并据此推导出闭合形式的基波、谐波阻抗条件,其理论效率高于目前主流的F类、逆F类、J类等高效率HT类PA。以实现该C-HT3类输出电压、电流波形为目标,设计了一款工作在2GHz的高效率PA,实现了41.10d Bm的输出功率,80.31%的功率附加效率（Power-added efficiency,PAE）。（4）新型高效率波形的宽带研究。在C-HT3类PA的基础上,结合“连续型”概念,引入拓展因子将单个高效率输出电压波形拓展为一簇高效率输出电压波形,首次提出了“连续C-HT3类”,将C-HT3类的单一阻抗解拓展为更大的阻抗空间,为宽带PA设计提供了新方法。根据此理论,设计并制作了一款宽带高效率PA,在3.3-4.2GHz的带宽内,实现了39.61～40.68d Bm的输出功率,63.32%～70.54%的PAE。本论文的研究工作对PA理论及工程应用有一定的参考价值。
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