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高效率Doherty功率放大器设计

作　者: 杨国瑞
导　师: 冯全源
学　校: 西南交通大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 功率放大器有源负载牵引非对称结构效率线性度
分类号: TN722.75
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着无线通信技术的发展,除了广为人知的无线广播、卫星电视等公共无线通信服务外,包括以手机、无线局域网和蓝牙等为代表的个人服务也逐步深入到人们的生活中,并成为不可替代的通信工具。随着技术日新月异的发展和人们通信需求的增加,无线通信产业还将继续向前蓬勃发展。功率放大器作为无线通信系统中射频前端重要的核心模块之一,其对通信系统的整体性能有着至关重要的影响,因而得到了人们广泛的重视和研究。现代无线通信中诸如WCDMA等第三代移动通信系统对数据无线快速传输的需求越来越大,因此其采用了如QPSK等非恒包络调制方式,这就要求通信信号具有较高的峰均比值,对功率放大器的线性度提出了更高的要求。在实际应用中,通常采用功率回退的方法来满足其对线性度的要求,但是如此将牺牲大幅度的效率,不但增加了无线通信的运营成本,还会因散热等问题恶化系统的不稳定性。因此在满足所需的线性度条件下,如何提高功率放大器的效率成为了当今功放研究的重点。Doherty技术由于具有结构简单、容易实现,尤其是能够在功率回退的情况下保持高水平效率的优点,能够较好地在效率和线性度中取得平衡而成为了当今研究的热点。本文正是采用Doherty技术对功率放大器进行了设计和仿真。首先介绍了射频功率放大器的基础,包括性能指标、功放分类和通信系统中的功率放大器；其次在有源负载牵引理论基础上,重点分析了Doherty结构的工作原理和优缺点；再次利用ADS平台和Freescale公司的LDMOS功放管模型,进行了Doherty功率放大器的设计和优化,不但给出了各个设计环节所需考虑的细节,还着重分析了主辅偏置条件、功率分配比例和阻抗变换等因素对Doherty放大器的效率和线性度的影响。通过不断的设计优化和仿真,最终得到一款适用于WCDMA下行频段2110-2170MHz的非对称Doherty功率放大器实例。该Doherty功率放大器在2140MHz,平均输出功率为25W(44dBm)时,增益为15dB,带内增益平坦度小于1dB,功率附加效率为43.6%,相比较于同等输出功率级的平衡AB类放大器,效率提升了19%,而在双音仿真时其三阶交调失真为-26.2dBc,只比同功率下的AB类功率放大器恶化了2.7dB,以较小的线性度代价取得了较高的效率提升,最后还利用ADS平台绘制了可印制的电路版图。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-15
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 DOHERTY技术的发展及研究现状  13-14
  1.3 本文的主要工作  14-15
第2章射频功率放大器基础  15-28
  2.1 功率放大器的关键指标  15-19
    2.1.1 工作频率  15
    2.1.2 功率增益和增益平坦度  15-16
    2.1.3 效率  16
    2.1.4 输出功率  16-17
    2.1.5 互调失真  17-18
    2.1.6 邻道功率泄漏比  18-19
  2.2 功率放大器的分类  19-23
    2.2.1 传统功率放大器  19-22
    2.2.2 开关模式功率放大器  22-23
  2.3 通信系统中的功率放大器  23-28
    2.3.1 Kahn包络分离和恢复技术  24-25
    2.3.2 包络跟踪技术  25
    2.3.3 异相功率放大器  25-26
    2.3.4 前馈线性化技术  26-27
    2.3.5 预失真线性化技术  27-28
第3章 DOHERTY功率放大器的原理  28-44
  3.1 DOHERTY功率放大器结构简介  28-29
  3.2 有源负载牵引理论  29-30
  3.3 理想DOHERTY结构的特性分析  30-32
  3.4 相对实际情况下的DOHERTY工作分析  32-39
    3.4.1 独立电流源的电路分析  33-34
    3.4.2 转折点和峰值点状态的分析  34-35
    3.4.3 低功率区和高功率区的状态分析  35-37
    3.4.4 效率分析  37-39
  3.5 DOHERTY功放的衍生结构  39-42
    3.5.1 非对称Doherty功放结构  39-40
    3.5.2 多级Doherty功放结构  40
    3.5.3 具有自适应栅偏压控制的Doherty功放结构  40-41
    3.5.4 具有供电电压控制的Doherty功放结构  41
    3.5.5 串联型Doherty功放结构  41-42
  3.6 DOHERTY功放的优缺点  42-44
第4章 DOHERTY功率放大器的设计和仿真  44-61
  4.1 DOHERTY功率放大器设计流程  44
  4.2 DOHERTY功率放大器的设计目标  44
  4.3 ADS仿真软件简介  44-45
  4.4 单管功率放大器设计  45-54
    4.4.1 功放设计的前期工作  45-46
    4.4.2 功放管的直流特性分析  46
    4.4.3 稳定性分析  46-47
    4.4.4 偏置电路的设计  47-48
    4.4.5 负载牵引  48-50
    4.4.6 匹配电路设计  50-52
    4.4.7 仿真分析  52-54
  4.5 DOHERTY功率放大器设计  54-60
    4.5.1 功率分配器的设计  54-55
    4.5.2 信号组合部件的设计  55-58
    4.5.3 Doerhty功放的仿真分析  58-60
  4.6 本章小结  60-61
第5章 DOHERTY功率放大器的优化设计  61-71
  5.1 各主要参数对DOHERTY功率放大器性能的影响  61-64
    5.1.1 主功放漏偏电压  61-62
    5.1.2 辅助功放栅偏电压  62
    5.1.3 输入功率分配比  62-63
    5.1.4 输出微带线的特性阻抗  63
    5.1.5 负载阻抗  63-64
  5.2 DOHERTY功放的优化和仿真  64-68
    5.2.1 Doherty的优化设计  64-65
    5.2.2 大信号S参数分析  65
    5.2.3 单音仿真分析  65-67
    5.2.4 双音仿真分析  67-68
    5.2.5 多款Doherty功放的性能对比  68
  5.3 DOHERTY功放的版图  68-70
  5.4 本章小结  70-71
结论  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-76
攻读硕士期间发表的论文  76

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