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，半導體新材料、新工藝的飛速發(fā)展與進步，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指標以滿足綠色可持續(xù)發(fā)展，射頻工程師越來越傾向于將功率放大器設計工作在非線性區(qū)域內(nèi)。此時在大功率信號的激勵下，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等。在這種應用背景下，經(jīng)典線性系統(tǒng)理論（例如小信號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測。而非線性X參數(shù)作為下一代工業(yè)級別標準化非線性行為模型方法，適用于復雜頻譜分布下有源器件性能響應的精確表征，因此逐漸成為當前微波工程的研究熱點領域。同時，該行為模型的參數(shù)提取測量平臺-------非線性矢量網(wǎng)絡分析儀（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，故也被公認為是未來新一代的射頻微波網(wǎng)絡分析平臺。
　　諧波相

3、位參考作為非線性矢量網(wǎng)絡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計方便、更低本底噪聲和加工成本的相位參考實現(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。另外，論文還重點完成了X參數(shù)向更高維度、高復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用環(huán)境中。本課題的研究內(nèi)容緊跟當前國際發(fā)

4、展前沿動態(tài)，為國內(nèi)研究學者開展后續(xù)相關探索提供堅實有效的理論基礎和指導意義。本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性研究成果如下：
　　首先，針對當前應用需求背景提出了基于共面波導非線性傳輸線的超窄時域脈沖信號發(fā)生器（也稱梳狀波發(fā)生器）實現(xiàn)方案，經(jīng)設計優(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，解決了上一代產(chǎn)品工作頻帶過窄的缺點；同時，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、器的完整相位定標技術，定標結果滿足技術指標要求。為組建新一代具有自主知識產(chǎn)權的NVNA平臺做出了理論和工程貢獻，實現(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苛假設，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響應，因此本文提出了具有更普適和一般化的負載相關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。在此基礎上，參考二端口微波網(wǎng)絡下小信號S參數(shù)理論的應用，推導了基于

6、負載相關X參數(shù)的微波網(wǎng)絡輸入反射系數(shù)解析表達式。該成果打破了大功率有源功放器件相關領域的研究空白，為后續(xù)的諸如資用功率增益、三階截距點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的影響，建立和推導出了包絡域內(nèi)諧波動態(tài)X參數(shù)行為模型，并提出了基于超窄二值脈沖包絡信號的行為模型有效性檢驗方案。在校驗過程中，測量了射頻ZFL_11AD+功放包含基波和任意階次諧波的瞬時輸