基于非線性X參數(shù)的射頻有源器件行為模型研究.pdf

1、在過去的幾十年里，半導(dǎo)體新材料、新工藝的飛速發(fā)展與進(jìn)步，使射頻微波器件的工作特性產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。以典型二端口有源器件為例，為追求高附加效率、高輸出功率以及線性度等技術(shù)指標(biāo)以滿足綠色可持續(xù)發(fā)展，射頻工程師越來越傾向于將功率放大器設(shè)計(jì)工作在非線性區(qū)域內(nèi)。此時(shí)在大功率信號(hào)的激勵(lì)下，功放器件將表現(xiàn)出一系列典型的非線性失真特性，例如諧波失真、互調(diào)失真、功率壓縮以及記憶效應(yīng)等。在這種應(yīng)用背景下，經(jīng)典線性系統(tǒng)理論（例如小信號(hào)S參數(shù)）將不再適用于該類器

2、件精確的行為建模與輸出預(yù)測。而非線性X參數(shù)作為下一代工業(yè)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)化非線性行為模型方法，適用于復(fù)雜頻譜分布下有源器件性能響應(yīng)的精確表征，因此逐漸成為當(dāng)前微波工程的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。同時(shí)，該行為模型的參數(shù)提取測量平臺(tái)-------非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Nonlinear Vector Network Analyzer，NVNA），由于具備了任意交叉頻譜絕對幅度與相位譜的測量功能，故也被公認(rèn)為是未來新一代的射頻微波網(wǎng)絡(luò)分析平臺(tái)。
　　諧波相

3、位參考作為非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的重要參考測量通道，是保證交叉頻譜絕對相位值測量能力和精確度的關(guān)鍵。然而考慮到目前商用相位參考遭遇的困境，本論文提出了具有設(shè)計(jì)方便、更低本底噪聲和加工成本的相位參考實(shí)現(xiàn)方案，解決了其工作帶寬過窄和需外部協(xié)同控制的缺點(diǎn)。另外，論文還重點(diǎn)完成了X參數(shù)向更高維度、高復(fù)雜度及高精度條件下行為模型理論的拓展等一系列創(chuàng)新性研究工作，并將傳統(tǒng)X參數(shù)從理想化工作條件推廣到更一般的應(yīng)用環(huán)境中。本課題的研究內(nèi)容緊跟當(dāng)前國際發(fā)

4、展前沿動(dòng)態(tài)，為國內(nèi)研究學(xué)者開展后續(xù)相關(guān)探索提供堅(jiān)實(shí)有效的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)意義。本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性研究成果如下：
　　首先，針對當(dāng)前應(yīng)用需求背景提出了基于共面波導(dǎo)非線性傳輸線的超窄時(shí)域脈沖信號(hào)發(fā)生器（也稱梳狀波發(fā)生器）實(shí)現(xiàn)方案，經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后制作了以梳狀波發(fā)生器為核心部件的寬帶諧波相位參考原型樣機(jī)，解決了上一代產(chǎn)品工作頻帶過窄的缺點(diǎn)；同時(shí)，為了解決寬帶諧波相位參考的量值溯源問題，創(chuàng)新性的提出了基于光電采樣系統(tǒng)和寬帶等效采樣示波

5、器的完整相位定標(biāo)技術(shù)，定標(biāo)結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求。為組建新一代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的NVNA平臺(tái)做出了理論和工程貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了非線性X參數(shù)行為模型的完整測量功能。
　　其次，受限于模型建立過程中的嚴(yán)苛假設(shè)，傳統(tǒng)X參數(shù)愈發(fā)難以精確表征有源功放器件的真實(shí)響應(yīng)，因此本文提出了具有更普適和一般化的負(fù)載相關(guān)X 參數(shù)行為模型理論，將微小阻抗失配的工作條件拓展到全阻抗失配情況。在此基礎(chǔ)上，參考二端口微波網(wǎng)絡(luò)下小信號(hào)S參數(shù)理論的應(yīng)用，推導(dǎo)了基于

6、負(fù)載相關(guān)X參數(shù)的微波網(wǎng)絡(luò)輸入反射系數(shù)解析表達(dá)式。該成果打破了大功率有源功放器件相關(guān)領(lǐng)域的研究空白，為后續(xù)的諸如資用功率增益、三階截距點(diǎn)和相鄰信道功率比等非線性參數(shù)的解析性求解提供理論依據(jù)。
　　最后，為了表征有源功放器件普遍存在的諧波長期記憶效應(yīng)的影響，建立和推導(dǎo)出了包絡(luò)域內(nèi)諧波動(dòng)態(tài)X參數(shù)行為模型，并提出了基于超窄二值脈沖包絡(luò)信號(hào)的行為模型有效性檢驗(yàn)方案。在校驗(yàn)過程中，測量了射頻ZFL_11AD+功放包含基波和任意階次諧波的瞬時(shí)輸