應用于多模多頻的寬帶高效率功率放大器設計.pdf

1、隨著第三代（3G）移動通信技術的普及應用和第四代（4G）移動通信趨于成熟的發(fā)展，現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)呈現(xiàn)出多種通信制式并存、多個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無線移動通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。各種通信制式均朝著高信號峰均比（Peak-to-Average Power Ratios，以下簡稱PAPR）、多載波、大信號容量的方向發(fā)展。在現(xiàn)如今倡導綠色、節(jié)能、環(huán)保的時代背景下，如何把不同工作模式的調制系統(tǒng)在同一工作平臺上

2、并存實現(xiàn)越來越引起人們的關注，這些都對無線通信系統(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。作為無線通信系統(tǒng)發(fā)射機末端的核心模塊，功率放大器的性能直接影響了整個通信系統(tǒng)的信號傳輸質量。因此，在保持高信號峰均比和高效率工作的同時，進一步擴大功率放大器的工作帶寬具有非常重要的現(xiàn)實意義。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計上。
　　論文首先介紹了功率放大器的基礎理論知識，包括功率放大器的分類、性能參數指標，以及功

3、放設計中核心的負載線理論及負載牽引技術；接著介紹了幾種常用的寬帶功放實現(xiàn)技術和效率提升技術，著重對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進行對比研究，為后文寬帶高效率功放的實現(xiàn)提供理論依據；然后對 Doherty功率放大器的基本原理以及其核心的有源負載牽引理論進行了研究，對 Doherty功放不同工作狀態(tài)下負載阻抗的動態(tài)變化過程和效率特性進行分析，并簡單介紹了幾種新型的Doherty功放結構。
　　基于前述功放基

4、礎理論以及一些拓展帶寬、提升效率的技術方法，本文采用一種簡單實用的寬帶直流偏置結構，并利用源/負載牽引仿真確定電路在整個工作頻段內的最優(yōu)阻抗趨勢并繪制出阻抗趨勢圖，然后選取簡單的匹配結構，利用 Smith圓圖軌跡法設計出匹配網絡，實現(xiàn)了寬帶高效率功率放大器的設計，方法簡便，電路結構簡單。接著以寬帶高效率單級功放為基礎，選取合適的 Doherty功放結構，并提出一種新型的低輸出阻抗匹配方法，結合寬帶匹配網絡和寬帶阻抗變換網絡實現(xiàn)了寬帶反向

5、Doherty功放的設計，方法簡單。
　　按照上述設計方法，首先針對低功率級寬帶高效率功率放大器的應用完成設計。第一步仿真并實現(xiàn)了10W寬帶高效率功率放大器，測試結果顯示，在工作頻段1.8-2.7GHz內，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)勢明顯。第二步基于上述電路，設計并實現(xiàn)了工作在1.8-2.7GHz的20W寬帶反向 Doherty功放，測試結果顯

6、示，在連續(xù)波信號下飽和輸出功率達到43.2-45.1dBm，在功率回退6.7-8.6dB（Pout=36.5dBm）時，電路的漏極效率在41.5-45.3%之間。用WCDMA信號驅動該功率放大器，當Pout=36.5dBm時，電路的漏極效率在45.3-48.6%之間，在信號頻偏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處甚至達到了-40

7、.3dBc。據作者所知，該電路的工作帶寬在現(xiàn)有的文章報道中是最寬的。
　　其次，針對高功率級寬帶高效率功率放大器的應用完成設計。第一步完成了100W寬帶高效率功放的仿真設計及實物測試，測試結果顯示，在工作頻段1.8-2.7GHz內，除了2.7GHz的輸出功率較差外（Psat=47.5dBm），其他頻段內電路的飽和輸出功率在49.3-50.5dBm之間，整個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、，設計并實現(xiàn)了工作在1.8-2.7GHz的200W寬帶反向Doherty功放，測試結果顯示，在整個工作頻段內，電路的P-3輸出功率在47.5-52.93dBm之間，各頻點功率回退至Pout=46dBm時，電路的漏極效率在34.2%-45.9%之間。
　　本文對于寬帶高效率功率放大器以及寬帶 Doherty功率放大器的設計方法作了較為全面的分析總結，基于GaN HEMT功率管設計了工作在1.8-2.7GHz的10W寬帶高效率功率放大