【摘 要】
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无线通信系统的日益发展影响着通信行业的方方面面,最为重要的影响无异于各种无线通信新标准的产生。这一系列的新标准对射频前端组件提出了更高的要求,以满足现在不同工业应用的需求。射频功率放大器是宽带或多频带系统中的关键模块,它的性能在带宽、输出功率和效率方面对整个系统的性能有很大影响。在现阶段的发展趋势下,一方面,为了追求宽带和高效率功放,开关型功率放大器诸如E类、F类功放被广泛研究;另一方面,通信模式
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无线通信系统的日益发展影响着通信行业的方方面面,最为重要的影响无异于各种无线通信新标准的产生。这一系列的新标准对射频前端组件提出了更高的要求,以满足现在不同工业应用的需求。射频功率放大器是宽带或多频带系统中的关键模块,它的性能在带宽、输出功率和效率方面对整个系统的性能有很大影响。在现阶段的发展趋势下,一方面,为了追求宽带和高效率功放,开关型功率放大器诸如E类、F类功放被广泛研究;另一方面,通信模式的多元化要求功放能够同时在不同频段工作,双频功放进而成为研究的热点。此外,为了提升双频功放的带宽,各种增加带宽的结构陆续提出,目标是在保证高效率,高增益,高输出功率的情况下将双频点扩展为双频带。因此,本文结合开关型F类高效功放理论、双频理论和带宽扩展结构,对无线通信新标准下的功放单元模块进行设计与研究。论文首先查阅了大量国内外关于射频功率放大器的文献资料,将高效宽带F类功放和双频功放的研究现状进行了总结归纳。其次介绍了射频功率放大器的分类以及评价射频功放性能好坏的技术指标。然后详细阐述了F类功率放大器的设计理论,为后文射频功放的制作奠定了理论基础。最后将设计理论和当今无线通信的新标准进行结合,从高效率,宽带,双频三个方面创新性地设计了三款射频功率放大器:1、在高效率功率放大器方面:该设计面向雷达通信,在输出端采用寄生补偿电路,其微带线采用L型拓扑结构用以抵消由于频率升高时实际晶体管的封装而引入的寄生效应。此外,匹配电路采用阶跃式匹配方法。仿真结果显示,在基于寄生补偿电路与阶跃式匹配的功率放大器在2.1-2.3 GHz的频带内,功率附加效率达到61.3%,功率增益大于12 d B,输出功率超过40 d Bm。2、在高效率宽带功率放大器方面:该设计基于F类功放并面向4G通信基站,将谐波控制电路和输入输出寄生补偿电路结合,在降低晶体管寄生效应的同时,将二次谐波和三次谐波匹配至相应的阻抗点。此外还创新性地增加了带宽扩展结构,用以改善基波与谐波频带重叠的现象,使其在较宽的频带内获得高效率。实测结果显示,在1.1-2.5 GHz频带内,输出功率超过40 d Bm,漏极效率超过60%,增益在9.3-14.4 d B之间。3、在双频宽带功率放大器方面:该设计基于F类功放并面向5G通信,创新性地将带宽扩展结构和双频谐波控制电路相结合,在两个频点处分别将带宽扩展至200 MHz。实测结果显示,在3.3-3.5 GHz频带内,输出功率超过41.5 d Bm,漏极效率维持在71-75%,功率附加效率为61-70%,增益在11.6-11.9 d B之间;在4.8-5.0 GHz的频带内,输出功率在39.5 d Bm以上,漏极效率达到65-70%,功率附加效率保持在58-64%,增益大于9.7 d B。本文设计的三款射频功率放大器基于当今无线通信的新指标,在带宽与效率方面达到了设计指标,为之后的功放设计提供了一个新的思路方案。
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