（电路与系统专业论文）射频高效开关e类功率放大器研究.pdf

摘要 摘要 e 类功率放大器是一种可工作于射频微波频段的高效率开关类功率放大器。本 论文主要研究e 类功率放大器理论和相关设计方法。论文主要贡献如下： 第一，分析了经典e 类功率放大器的设计方法，并分别采用g a a s 和g a n 器 件实现了工作于2 1 4 g h z 的微带线e 类功率放大器的设计。采用g a a s 器件设计 的e 类功率放大器在漏极供电1 0 2 v 时，工作效率为6 6 9 3 ，输出功率3 7 d b m ， 具有1 0 d b 增益。采用g a n 器件设计的逆e 类功率放大器在漏极供电2 3 v 时，工 作效率为7 0 2 ，输出功率4 0 ，4 5 d b m ，具有1l d b 增益。 第二，深入研究了有限隔直电容逆e 类功率放大器理论及其设计方法。分析 表明这种设计方法不仅确保放大器可获得1 0 0 的理论工作效率，而且使其性能获 得一些提升，例如具有更低的漏极峰值电压、更大的功率输出能力等。为验证设 计方法的可行性，本文制作了工作于1 5 5 m h z ，输出功率4 0 0 7 d b m ，工作效率 8 3 8 7 ，p a e 8 2 5 7 的实际放大器电路。 最后，论文对一种改进结构的逆e 类功率放大器进行了详细的理论分析。这 种逆e 类功率放大器的负载网络串入了一个谐振频率可调的并联谐振回路，具有f 类功率放大器谐波控制的特点。论文研究了此类功率放大器的工作原理及性能， 推导出其负载网络各个器件的设计取值方程，依据这些设计方程可使功率放大器 获得最佳工作状态。论文给出了一个设计实例，制作了工作于1 5 5 m h z ，输出功率 4 0 0 2 d b m ，工作效率7 8 4 2 ，p a e 7 8 1 8 ，增益2 5 0 2 d b 的放大器电路。电路实 测结果与仿真设计结果基本一致，验证了此类功率放大器设计方法的可行性。 关键词：e 类功率放大器，高效率，微带线，有限隔直电容，谐波控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec l a s sep o w e ra m p l i f i e ri sw e l l k n o w n s w i t c h i n g m o d ep o w e ra m p l i f i e r t o p o l o g yt h a th a sd e m o n s t r a t e dh i 曲e f f i c i e n c ya tm i c r o w a v ef i - e q u e n c i e s i nt h i st h e s i s ， t h ep r i n c i p l e sa n dd e s i g nm e t h o d o l o g yo ft h ec l a s sea m p l i f i e rh a v eb e e na n a l y z e di n d e t a i l t h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t ，t h ed e s i g np r o c e d u r eo fc l a s s i cc l a s sep o w e ra m p l i f i e r si sp r o p o s e d ，a n dt w o p r a c t i c a lt r a n s m i s s i o n l i n ea m p l i f i e r su s i n gg a a sa n dg a nt r a n s i s t o ra r eb u i l t b o t h a m p l i f i e r so p e r a t ea t2 14 g h z t h eg a a sc l a s sea m p l i f i e ra c h i e v e sd r a i ne f f i c i e n c yo f 6 6 9 3 ，e x h i b i t s10 d bp o w e rg a i n ，3 7 d b mo u t p u tp o w e rw h e no p e r a t e df r o ma10 2 v s u p p l yv o l t a g e t h eg a n i n v e r s ec l a s se a m p l i f i e ro b t a i n sd r a i ne f f i c i e n c yo f7 0 2 e x h i b i t s1ld bp o w e rg a i n ，4 0 4 5 d b mo u t p u tp o w e rw h e nt h es u p p l yv o l t a g ei s2 3 v s e c o n d l y ，c o m p r e h e n s i v et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o d o l o g yo fi n v e r s e c l a s sea m p l i f i e r sw i t hf i n i t ed cb l o c k i n gc a p a c i t a n c ei sp r e s e n t e d t h ep r o p o s e d a m p l i f i e r n o t o n l yo f f e r s 10 0 e f f i c i e n c yi nt h e o r y ，b u ta l s o b r i n g s i ns o m e i m p r o v e m e n t s ，s u c ha sl o w e rp e a ks w i t c h i n gv o l t a g ea n dh i g h e rp o w e ro u t p u tc a p a b i l i t y t h ea m p l i f i e ro b t a i n i n ga no u t p u tp o w e r4 0 0 7 d b ma t15 5 m h zw i t hd r a i ne f f i c i e n c yo f 8 3 8 7 a n dp o w e r - a d d e de f f i c i e n c yo f8 2 5 7 i sa l s op r e s e n t e d t h ef i n a lc o n t r i b u t i o no ft h i sw o r ki st h ea n a l y s i so fo p e r a t i o na b o u tam o d i f i e d i n v e r s ec l a s sep o w e ra m p l i f i e r t h ep r o p o s e da m p l i f i e r ，w h i c hh a sas e r i e st u n a b l e p a r a l l e lr e s o n a n tt a n k i ss i m i l a rt o ah y b d do fc l a s sfa n di n v e r s ec l a s se t h e p r i n c i p l e sa n dd e s i g ne q u a t i o n sr e q u i r e dt od e t e r m i n et h eo p t i m u mo p e r a t i o no ft h e a m p l i f i e ra r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ep r a c t i c a lc i r c u i ti s s h o w nt ob ea b l et od e l i v e r 4 0 0 2 d b mo u t p o u tp o w e ra t15 5 m h z t h ea m p l i f i e ra c h i e v e sp a eo f7 8 18 a n dd r a i n e f f i c i e n c yo f7 8 4 2 a n de x h i b i t s2 5 0 2 d bp o w e rg a i nw h e no p e r a t e sf r o ma2 1v s u p p l yv o l t a g e c o m p a r i s o n so fs i m u l a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t sa r eg i v e nw i t hg o o d a g r e e m e n t k e y w o r d s ：c l a s sep o w e ra m p l i f i e r , h i 曲e f f i c i e n c y , t r a n s m i s s i o n l i n e ，f i n i t ed c b l o c k i n gc a p a c i t a n c e ，h a r m o n i cc o n t r o l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 繇姚喻印护毒岁月应日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 辩导师签名：手叠虹 日期：叫9 年，月，z 日 第章绪论 第一章绪论 无线电技术的发明使通信摆脱了传统导线的限制，是人类通信方式的一次飞 跃。经过不断得演进与变革，如今无线通信技术与互联网技术已经相互融合，使 人类社会步入信息时代。为满足人类社会日益增长的数据业务需求，并给人们提 供高速高质量的多媒体通信服务，现代无线通信系统需采用具有更高频谱利用率 的数字调制技术。这些调制技术产生了高峰均功率比的非恒包络调制信号，显然 宽带、高速、大范围变化的信号对发射机的线性度提出了更苛刻的要求。传统发 射机为满足线性度指标，需牺牲效率使功率放大器工作于高功耗状态。效率低下 的传统发射机与现代无线通信规模及节能环保、移动便捷等社会需求具有明显冲 突。采用新的发射机结构是无线通信设备的一个发展趋势，高效高线性发射机结 构研究重点之一即高效率功率放大器设计技术。 本章将简要介绍高效率功率放大器的研究背景及意义，随后综述高效率开关e 类功率放大器的研究动态及现状。最后介绍本论文的总体结构和主要研究内容。 1 1 高效率开关e 类功率放大器的研究背景及意义 随着移动通信和互联网络应用规模的快速增长，传统的g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 通信系统也不断发展以满足人们越发频繁得信息传递 活动的需求。从g s m 到g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，数据传输速率从1 4 4 k b p s 提高到1 7 1 2 k b p s 。g s m 和g p r s 都采用了g m s k ( 高斯最小频移键控) 调制方 式，为了进一步提高g s m 系统的数据传输速率并且兼容已有的g s m 信道带宽，需 要采用频谱利用率更高的调制方式。泛欧移动式无线通信系统的第三代技术e d g e ( e n h a n c ed a t ar a t e sf o rg l o b a le v o l u t i o n ) 采用了8 p s k 的调制方式从而获得了两倍于 g p r s 的数据传输速率一3 8 4 k b p s 。g m s k 调制信号具有幅度恒定的包络，而8 p s k 调制信号的包络幅度则在不断的变化。目前的第三代移动通信系统和已经受到广 泛关注的第四代移动通信系统，则要采用更为复杂、动态性更强的q p s k 、h p s k 幂i d q p s k 等数字调制技术。这些调制技术产生的基带信号具有较高的峰均功率比 f p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。例如第四代移动通信系统中无线局域网所使用的 m i m o o f d m 技术，基带信号峰均比超过1o d b ，带宽达到1 0 0 m h z ，速率大于1 g b p s 。 传统发射机的功率放大器普遍工作在a 类或a b 类状态，其峰值效率一般都低 电子科技大学硕士学位论文 于3 0 。为了保证发射机具有较好的线性度，一般采用功率回退法牺牲掉部分功率 放大器的效率。回退量越多，功率放大器的效率就越低。显然对于高峰均比的信 号，功率回退法的缺陷显得更加突出，毕竟工作效率也是发射机系统要考虑的重 要指标。手提式便携设备的电池使用时间，移动通信基站的电能消耗都与发射机 效率密切相关，并且系统的小型化同样要依赖效率的提升。不仅民用无线通信领 域需要高效高线性的发射设备，航天军用领域同样对设备小型化和节能化有很高 的要求。设备高效率意味着能耗少，散热需求低，体积重量小，系统容易集成化， 工作寿命长，这些特点对于航天军用领域的天基星载系统意义重大。 若要兼顾线性度和效率指标，则需改进发射机的结构。目前广泛采用的数字 预失真技术【lj ，正是通过改善功率放大器的线性度来减少其回退量，从而提升功率 放大器的工作效率。由于a 类或a b 类功率放大器本身工作效率的瓶颈限制，只采 用数字预失真的方法很难使发射机的效率有大幅度提升。例如将数字预失真技术 与高效率d o h e r t y x j j 率放大器1 2 j 相结合，虽然在确保发射机线性度指标的情况下提 升了发射机的效率，但是效果仍不是非常理想，其发射机峰值效率也只有4 0 左右。 为了突破传统功率放大器最高工作效率的限制，一些采用开关类非线性功率放大 器的发射机结构，例如包络分离和恢复技术( e e r ) 【3 】，非线性器件线性化技术 ( l i n c ) 【4 j 及极坐标发射机p j ，正成为国际无线技术领域的研究热点。 图1 - le e r 技术结构框图 e e r 技术的核心思想是【6 】：将幅度变化的包络信号分为两路信号分别放大，一 路信号包含幅度信息，另一路信号包含相位信息，然后再将这两种信息结合起来， 实现对原始包络信号的高效线性放大。在传统的e e r 技术中，将包含相位信息的 恒包络相位调制信号送入非线性高效功率放大器，对此功率放大器进行振幅调制 即可得到输出信号。图1 1 为e e r 技术结构框图。 1 9 3 5 年，c h i r e i x 提出反相调制【7 j ( o u t p h a s i n gm o d u l a t i o n ) 技术，实现利用非 线性功率放大器来提高发射机效率的设计思想，但是当时的设计者们更倾向于依 2 第一章绪论 赖器件材料的改进来提高功率放大器效率，这项技术没有受到应有的重视。1 9 7 4 年，c o x 在不知已经发明的情况下重新提出了这种技术【8 ，命名为非线性器件线性 化技术一l c ( l i n e a ra m p l i f i c a t i o nw i t hn o n l i n e a rc o m p o n e n t s ) ，这种使功率放大 器能够同时获得高效率和高线性度的技术开始受到相关研究者的关注。l i n c 线性 化技术的基本思想是：使用信号分离器将非恒包络输入信号分解成两个幅度恒定 己知且相等的分量，这样就可以使用非线性功率放大器对所得的恒包络信号进行 高效放大。由于两个信号分量幅度己知且相等，非线性功率放大器的幅度增益和 相移也已知且相等，所以经过非线性功率放大器的两个信号分量只需要进行必要 的移相和时延校正，然后合成即可得到无失真信号。l i n c 技术原理框图见图1 2 。 菲线，睦功放 图1 2l i n c 技术原理框图 号 器 采用极化调制( p o l a rm o d u l a t i o n ) 的发射机也可同时满足高线性度和高效率 指标 9 1 ，其结构类似于e e r 发射机，主要区别在于极坐标发射机采用数字信号处 理模块实现基带信号的幅相分离，这使其适用各种数字调制方式( g m s k ， g s m g p r s ，8 - p s k e d g e ，w c d m a 等) 所产生的v q 信号。在极坐标发射机中， 基带信号首先被转换成向量形式，即幅度和相位分离。幅度信号经过脉冲调制器 后使用高效率开关电源调制器放大，恒包络相位信号直接上变频后作为载波信号 由开关类功率放大器放大，利用载波功放漏极调制将幅相信号再次合成，完成信 号的线性发射。一种极坐标发射机结构如图1 3 所示。 上述三种发射机结构，最显著的优势在于可以使用高效率非线性开关类功率 放大器。传统的功率放大器效率提高技术主要关注功率放大器的工作点选取。a b 类、b 类或c 类功率放大器降低了直流工作点，减小功率放大器的平均电流从而提 高工作效率。然而这种方式不可能使效率无限制提升，尤其是随着功率放大器导 通角的减小，其输出功率会不断下降。开关类功率放大器采用避免晶体管电压和 电流波形重叠的设计思路来提高晶体管工作效率。d 、e 、f 类放大器均是基于这种 方法实现高效率功率放大，它们的理想工作效率可达到10 0 。 电子科技大学硕士学位论文 号 图1 3 一种极坐标发射机结构图 将高效率开关类功率放大器用于研制高效率发射机是无线通信技术发展的趋 势。因此在已有的理论及实践基础上，进一步研究高效率开关e 类功率放大器的相 关特性及工程实现方法，具有重要的科研价值和实践意义。 1 2 开关e 类功率放大器的研究现状 1 2 1 新材料半导体器件在e 类功率放大器设计中的应用 移动通信主要涵盖了o 8 3 g h z 频段。g s m 、c d m a 以及第三代移动通信技术 的w c d m a 、t d s c d m a 以及c d m a 2 0 0 0 系统均属于这个频段。所以这个频段 中e 类功率放大器的设计与应用研究是相关领域的研发重点。 目前的基站大功率发射机广泛采用l d m o s 工艺的晶体管，采用这种器件设 计开关e 类功率放大器存在较大缺陷。f a b i e nl e p i n e 通过总结采用l d m o s 器件 实现开关类放大器设计的文献资料，得出l d m o s 管不易用于设计工作频率超过 1 g h z 的开关类功率放大器的结论【1 们。l d m o s 管的开关特性并不出色，当工作频 率提升时，由于其内部寄生参数的影响，会造成晶体管电流严重拖尾，电压波形 在导通截止过程中也会出现畸变。目前研究者开始选择新材料新工艺晶体管，以 获得更好的开关性能，从而提高e 类功率放大器的设计频率。常用的材料有g a n 、 g a a s 等，主要的工艺是h e m t ( 高电子迁移率晶体管) 、h b t ( 异质结双极型晶 体管) 。使用这些技术制造的晶体管具有输出电容小、开关性能好的优点，适于高 频率e 类功率放大器设计。下面将对近年来新材料半导体器件在e 类功率放大器 工程设计上的应用进行简要的综述，以洞察其研究现状及发展趋势。 在2 0 0 0 2 0 0 1 年间，s y e ds i s l a m 为了提高e 类功率放大器的工作频率，首 先采用g a n a 1 g a nh e m t 功放管进行了e 类功率放大器的仿真设计【1 1 1 ，其设计结 果如表1 1 所示，这为以后进行此类放大器的设计与实现提供了一定的参考依据。 4 第一章绪论 表1 1g a n a 1 g a nh e m te 类功率放大器设计仿真结果对比 频率 工艺、 1 g h z1 1 g h z 1 9 m x l 5 0 9 i n输出功率9 3 m w输出功率6 9 m w g a n a l o 2 5 g a o7 5 nh e m t 功率附加效率7 2 功率附加效率6 8 0 1 2 9 m x l 0 0 9 m输出功率1 3 l m w输出功率8 7 m w g a n a i o 2 0 g a o 8 0 nh e m t 功率附加效率8 2 功率附加效率7 7 r t a y r a n i 首先实现了宽带集成化高效e 类功率放大器的设计【l2 1 。这个放大器 采用o 3 9 m 6 0 0 9 mg a a sp h e m t 工艺，当工作频率为1 0 6 g h z 时，输出功率为 2 4 d b m ，功率附加效率为6 3 ，工作频率在9 1 1 g h z 时，其增益不低于1 0 d b ， 输出功率不低于2 4 d b m 。 在2 0 0 2 - 2 0 0 3 年间，r t a y r a n i 在实现了x 波段高效集成化e 类功率放大器 设计的基础上，又采用g a a sp h e m t 设计了s 波段高效集成化e 类功率放大器 1 3 】。 此设计对放大器的集总参数负载网络进行优化，提高了放大器的功率附加效率和 输出功率。当工作频率为3 2 5 g h z 时，其输出功率可达2 3 d b m ，功率附加效率超 过9 0 。r k o l l e r 与其研究组将e 类功率放大器应用于g s m 移动设备【1 4 1 。因h b t 功放管不需要顶部平坦的输入信号波形，具有良好的开关导通特性，故被选用设 计g s m9 0 0 m h ze 类功率放大器。在3 6 v 的漏极供电电压下，放大器输出功率为 3 4 8 d b m ，并且对二次和三次谐波均有较好抑制。测试结果表明此设计完全适用于 g s m 移动设备。 在2 0 0 4 - - - 2 0 0 5 年间，d u s a nm i l o s e v i c 等研究者基于h b t 工艺设计了e 类功 率放大器【l 引。他们结合集总参数与分布参数结构设计了放大器的负载网络，此设 计工作频率为2 g h z ，输出功率为2 4 d b m ，功率附加效率达到6 8 ，测试表明此 电路能够很好的适用于g m s k 信号。e s k oa jg v i n e n 及其研究组在进行m m i ce 类功率放大器研究【l6 1 。他们制作了一个两级g a a sh b te 类功率放大器，供电电 压3 3 v ，工作频率为1 9 5 g h z 时，输出功率2 7 d b m ，漏极效率7 4 5 ，功率附加 效率6 2 5 。工作频率处于1 7 - 2 g h z 时，此放大器功率附加效率不低于6 0 。 h o n g t a ox u 1 7 等研究者则采用g a nh e m t 器件设计了m m i ce 类功率放大器，此 设计采用两级放大结构，使用f 类功率放大器做驱动级。整体放大器电路工作频 率为2 g h z ，输出功率3 7 5 d b m ，功率附加效率5 0 。 2 0 0 6 年之后，g a nh e m t ，s i cm e s f e t 等器件已经广泛应用于e 类功率放 大器的设计，其中部分设计结果如表1 2 所示1 1 8 23 | 。一些研究者也设计出了超高频 率，超高功率的e 类功率放大器，还有研究者致力于将e 类功率放大器应用到 电子科技大学硕士学位论文 w c d m a 通信系统的研究。改进传统e 类功率放大器的结构也成为研究者们探讨 的一个方向。 表1 22 0 0 6 2 0 0 9 年间部分e 类功率放大器设计结果 g a a s h b tn 垣= 6 5 p 。= 37 d b m n 2 g h z g a n h e m tt 1 = 8 2 p 。= 1 1 w 仁2 1 g h z c m o s伴匹= 6 7 2 6 p 。= 3 0 d b m f = 9 0 0 m h z s i l d m o s p a e = 6 2 5 p 0 = 3 9 8 d b m仁2 1 4 g h z g a n h e m tr 蛭= 7 0 p o = 4 3 d b m f = 2 1 4 g h z s i cm e s f e tp a e = 7 2 3 p 。= 4 0 3 d b m 仁2 1 4 g h z b ic m o sp 舡= 4 3 6 p 。= 19 7 d b m 仁5 “g h z g a n h e m t p a e = 5 7 p 。= 3 7 d b m 仁1 9 g h z g a n h e m t p a e = 5 0 p 。= 3 8 7 d b m 仁1 9 g h z y o n g s u bl e e 与y o o n h aj e o n g 设计了应用于w c d m a 系统的e 类功率放大 器【2 4 1 。他们采用g a nh e m t 功放管，并使用传输线设计输出匹配网络，以达到抑 制谐波功率的目的。放大器电路工作频率为2 1 4 g h z ，输出功率4 3 d b m ，增益达 1 3 d b ，效率可达7 0 。在此设计的基础上，y o n g s u bl e e 与y o o n h aj e o n g 又采 用s i cm e s f e t 设计了另一个应用于w c d m a 的e 类功率放大器【2 5 1 ，由测试结果 可知s i cm e s f e te 类功率放大器工作效率更高。他们在论文中对分别采用s i l d m o s ，g a nh e m t ，s i cm e s f e t 器件的三种e 类功率放大器进行了详细的比 较，其中使用g a nh e m t 器件的放大器可同时获得较高的效率与较大的输出功率 及增益。 r t a r s i 成功的设计了一个应用于空间基雷达的高效宽带集成化e 类功率放 大器【2 6 1 ，他采用g 啦sp h e m t 工艺并使用了新型e 类功率放大器分布式拓扑结构。 此设计工作频率为7 1 4 g h z ，输出功率大于2 5 d b m ，工作效率在5 0 8 2 之间。 r t a w a n i 还设计了另一个宽带高效e 类功率放大器【2 7 ，其工作频率为6 1 2 g h z 。 当工作频率为7 5 g h z 时，放大器的输出功率，功率附加效率分别如下：( 6 7 ，3 6 8 d b m 2 0v ) ，( 6 4 ，3 7 8d b m 2 5v ) ，( 5 8 ，3 8 3d b m 3 0v ) 。 j r l 0 0 y a u 采用一种改进的放大器负载网络阻抗分析方法来设计e 类功率放 大器【2 8 】。为了验证此设计方法的准确性，j r l 0 0 y a u 选取g 以sf e tf l k 0 5 7 w g 分别采用传统设计法和改进设计法制作了两个工作频率为6 g h z ，供电电压为4 v 的e 类功率放大器。实验结果表明，采用改进后的方法可以使放大器的功率附加 效率提高1 8 6 。t i d a ds o w l a t i 采用g a a sm e s f e t 工艺设计了工作于8 3 5 m h z 的 e 类功率放大器集成电路 2 9 1 。设计采用f 类功率放大器作为驱动级，可输出2 4 d b m 6 第章绪论 的功率并拥有5 0 的功率附加效率。k iy o u n gk i m 采用g a a sh b t 工艺设计了应 用于c d m a e e r 发射机的e 类功率放大器【3 0 1 。此设计利用寄生电容补偿电路，可 以显著提高电路工作效率。放大器电路在1 9 g h z 的工作频率下，可输出2 9 d b m 的功率并拥有7 1 的漏极效率。实验结果表明，在相同的输出功率下，采用此补 偿电路可获得7 的效率提升。 近年来实验室设计的e 类功率放大器工作频率主要集中在2 g h z 左右，当频率 增高时，输出功率一般会明显降低。这些放大器电路的工作效率大多数超过6 0 ， 一般分布在6 0 7 0 的区间内。综合来看，目前e 类功率放大器的普遍实验设计 水平是：工作频率2 - - - 3 g h z ，输出功率2 5 - - 4 0 d b m ，工作效率6 0 - 一7 0 。 1 2 2e 类功率放大器在新型发射机中的应用 在各种类型的功率放大器中，e 类功率放大器因其高效率而显得极为特殊，但 是它不能放大非常数包络信号，这是其明显得缺陷。将非线性e 类功率放大器应 用于e e r 、l i n c 和极坐标发射机，实现高效且线性的放大方案，是极具潜力的研 究方向。 正是由于e 类功率放大器的特性与e e r 技术能够很好的结合，所以许多研究 者将如何设计使用e 类功率放大器的e e r 发射机作为研究目标。s r d j a n 将使用不 同功放管的两种e 类功率放大器应用于e e r 技术并进行了比较【3 。一种是 m e s f e te 类功率放大器，另一种是h b te 类功率放大器，二者工作频率均为 1 0 g h z ，输出功率为2 0 - 2 1 d b m ，工作效率为6 5 。通过对实测e e r 技术相关参 数的比较，s r d j a n 认为m e s f e te 类功率放大器更适合用于e e r 技术。a n t t i 则 对使用不同拓扑结构的两种e 类功率放大器的e e r 线性放大方案进行了比较【3 2 | 。 一类是传统串联谐振e 类功率放大器，另一类是并联谐振e 类功率放大器。他得 出的结论是并联谐振e 类放大器更适合用于e e r 结构。因为在实现相同的设计目 标时，并联谐振结构更容易满足要求：它可以承受更高的负载阻抗，并且在相同 的工作状态时，它需要更大的并联电容，这就意味着在选择晶体管时受晶体管寄 生电容的影响会减小，即并联拓扑结构可使晶体管工作在更高的频率。a d i e t 将 使用e 类功率放大器的e e r 结构应用于o f d m 发射机的设计1 3 引。文献指出在设 计过程中，要解决的两个问题是对时间失谐和相位噪声的处理。总之，e 类功率放 大器的电压调制特性与其高效性，使它在e e r 结构或者类似结构中有重要的应用 价值。采用e e r 技术实现高效线性放大方案还需要更深入的研究。 电子科技大学硕士学位论文 l i n c 结构中经过信号分离后的两路常数包络信号，可以使用高效的e 类功率 放大器进行放大，从而提高整个结构的效率。这种设计思路很明晰，然而由于l i n c 结构的复杂性，设计者不得不考虑更多的因素。l i n c 技术对两条路径上信号幅度 和相位不平衡十分敏感，这种不平衡会使邻道干扰增加，所以要求两条路径中的 信号尽量一致，即要求两个功率放大器支路要基本相同，实现起来难度较大。 p a l o m a 等研究者提出了采用自适应信号处理方法来解决此问题【34 1 。此外，整个系 统的效率不仅受到非线性功率放大器的影响，还要受到信号合成器的影响。 a b i r a f a n e 与c p c o n r a d i 分别比较了两种信号合成器【3 弼6 | ，结果表明对于信号合 成器来说，也存在着效率和线性度的取舍，设计出高效且高线性度的信号合成器 是l i n c 技术中的一个难点。l i n c 结构中的带通滤波器也会造成线性度的恶化， 这也是由于此结构的复杂性而产生的缺点之一。总之，将e 类功率放大器应用于 l i n c 结构，这种设计思想仍值得继续探索，e 类功率放大器对负载条件的一些苛 刻要求给这种结合带来了更多的制约因素。 极坐标发射机具有广泛的应用前景，然而研制高性能的极坐标发射机同样存 在诸多困难。调制器的工作效率不高仍会影响整机的工作效率，调制器的噪声及 调制通道的非线性则会造成整机线性度的恶化。由于调制器带宽不高，采用幅相 分离构架的极坐标发射机只在低频窄带环境下获得一些应用【37 3 9 】，其中一典型的 设计结果为工作频率1 g h z ，频宽1 5 0 k h z ，输出功率2 0 w ，工作效率5 6 。尽管 载波e 类功率放大器在工程上可获得较高工作效率，然而对其漏极电压调制的研 究还缺乏相应的理论分析和实践经验。t r o p i a n 公司已经推出了利用极坐标调制设 计的g s m g p r s 、a m p s 与e d g e 多模态发射机，并取得专r u t 4 0 4 2 】。在2 0 0 6 年， 松下电器收购了主要研发极坐标发射机的t r o p i a n 公司，旨在将t r o p i a n 的直接极 化调带l j ( d i r e c tp o l a rm o d u l a t i o n ) 技术与其自身系统半导体、无线电和放大器的生产 能力以及在无线通信系统的大量经验结合起来。松下电器产业株式会社执行副总 裁s u s u m uk o i k e 博士认为，极化调制技术将成为无线通信系统领域传统模拟射频 元件的数字化的重要推动因素。此项技术对于降低能耗和设备小型化而言至关重 要，它还将加速通用网络社会的提早实现。 综上所述，虽然新型发射机还处于研究阶段，并未得到广泛应用，但是极具 发展潜力。将开关类功率放大器，尤其是高效开关e 类功率放大器应用于新式发 射机结构也成为了众多研究者的研究目标。高效开关e 类功率放大器的设计技术 显然是提升此类发射机效率的关键技术，具有重要的研究价值。 第一章绪论 1 3 本论文的研究内容 本论文的主要工作是进行高效率开关e 类功率放大器研究。首先对e 类及逆 e 类功率放大器进行了简要的理论分析和性能对比，分别采用g a a s 器件和g a n 器件实现了2 1 4 g h z 微带线结构e 类及逆e 类功率放大器的设计。然后分析了两 种改进结构的逆e 类功率放大器理论模型，这也正是本论文的主要创新点。论文 给出了这两种结构放大器负载网络各器件的设计取值方程，并采用仿真及实际电 路进行了验证实验。实验结果证实了理论模型的准确性和设计方法的可行性。 本论文主要结构如下： 第二章：射频功率放大器。首先介绍了功率放大器两个主要指标：线性度和 效率。然后针对几类不同功率放大器的结构及性能进行了简要的论述。 第三章：e 类功率放大器的设计。主要阐述e 类及逆e 类功率放大器的设计 方法。本章给出了两个工作于2 1 4 g h z 的分布式参数结构功率放大器的设计过程 及调测结果：( 1 ) 采用g a a s 器件m r f g 3 5 0 1 0 实现了输出功率3 7 d b m ，工作效 率6 6 9 3 的e 类功率放大器的设计；( 2 ) 采用g a n 器件n p t b 0 0 0 2 5 实现了输出 功率4 0 4 5 d b m ，2 1 2 作效率7 0 1 9 的逆e 类功率放大器的设计。 第四章：有限隔直电容逆e 类功率放大器的分析与设计。为使逆e 类功率放 大器模型更接近于实际，本章采用取值有限的电容代替理想隔直器，并将其取值 视为未知参数建立放大器数学模型，通过稳态时域分析获得负载网络各器件参数 的取值公式。理论分析表明，此设计方法不仅确保放大器获得1 0 0 的理论工作效 率，而且使其具有更低的漏极峰值电压、更大的功率输出能力、更高的上限工作 频率及上限输出功率。基于理论分析，本章选用l d m o s 器件m r f 2 1 0 1 0 设计了 实验电路。当放大器工作于1 5 5 m h z ，漏极供电2 3 3 v ，栅极供电3 8 v 时，可输 出功率4 0 0 7 d b m ，其工作效率为8 3 8 7 ，功率附加效率可达8 2 5 7 。最后本章 给出了一个此类放大器微带线结构的仿真设计实例。 第五章：具有谐波控制电路的逆e 类功率放大器的分析与设计。本章在逆e 类功率放大器的负载网络中串入一个并联谐振回路，从而提高了放大器的功率输 出能力及器件工作时的安全性。论文给出了详细的理论分析过程及数值仿真结果， 并选用l d m o s 器件m r f 2 1 0 1 0 设计了实验电路。当放大器工作于1 5 5 m h z ，漏极 供电2 1 v ，栅极供电4 2 v 时，可输出功率4 0 0 2 d b m ，其工作效率为7 8 4 2 ，功 率附加效率可达7 8 1 8 。此外，本章分析了输入信号占空比对此类放大器的性能 影响。 第六章：总结。 电子科技大学硕士学位论文 第二章射频功率放大器 无线通信发射机通常由射频前端模块和基带信号处理模块构成。射频前端模 块一般包括混频器、滤波器、功率放大器、天线等组件，由于其结构复杂，所以 设计难度较大。其中射频功率放大器的性能与整体发射机的指标关系密切，属于 射频前端模块的核心部件，是射频前端模块设计的重点。 本章为射频功率放大器的概述，先简要介绍功率放大器的线性度和效率指标， 然后总结不同类别的功率放大器的主要特性。 2 1 射频功率放大器主要指标 功率放大器的主要功能是将直流能量转换为交流能量：由输入射频信号驱动， 在供给特定的直流电压条件下，输出更大功率的射频信号。工作频率、供电电压、 输出功率、增益均是描述放大器性能的主要指标，然而一个理想的功率放大器在 实现上述功能时还须具有以下特性：第一，输出射频信号可视为对输入射频信号 的线性放大，即在时域上不存在波形失真，在频域里不产生新的频率成分；第二， 供给功率放大器的直流能量均转换为交流能量输出，即功率放大器本身没有能耗。 实际应用的功率放大器不可能具有这两个理想特性，因此线性度和效率成为衡量 一个功率放大器性能优劣的重要指标。 2 1 1 线性度 传统的线性功率放大器输入输出之间存在特定的函数关系。在理想情况下这 个函数为线性函数，然而实际器件并不能简单的等效为一个理想的线性函数，尤 其是器件处于大信号放大工作状态时。功率放大器的非线性现象主要表现为增益 压缩和出现新的频率分量。若在时域内观测，即表现为输出信号的波形与输入信 号的波形不一致，产生畸变。下文将简要介绍衡量一个功率放大器线性度优劣的 技术指标。 ( 1 ) l d b 功率压缩点 对于一般的线性放大器来说，当输入信号功率较小时，可认为放大器工作在 线性区，其增益为常数。由于晶体管存在非线性特性，因此随着输入功率不断增 1 0 第二章射频功率放火器 大，放大器的增益会逐渐压缩，最终进入功率饱和状态。通常以放大器增益比线 性增益小l d b 的位置来定义其工作范围上限，即l d b 输出功率压缩点( p l d b ) 。 放大器的输出功率在l d b 输出功率压缩点以下越远的地方，其线性度就越好。因 此l d b 功率压缩点不仅能反映放大器的功率容量，而且能很好的衡量放大器的线 性度。 ( 2 ) 谐波失真 当放大器输入单音信号时，由于器件非线性特性的影响，输出信号出现各次 谐波信号，造成谐波失真。谐波信号越大，越有可能干扰到其他频带，因此通信 系统会规定信号的谐波衰减量。由于高次谐波的能量很小，几乎可以忽略，所以 一般只考虑三次以内谐波的影响。 ( 3 ) 互调失真 当放大器输入双音信号时，输出信号除了产生输入信号的各次谐波( 谐波失 真) 外，还会出现因输入信号频率间的和差所产生的互调失真信号。对系统产生 危害较大的主要是载波频率附近的三次、五次等奇数阶次的互调失真信号。由于 互调失真信号离载波频率很近，很难用滤波器将它消除，所以极易干扰相邻频率。 通信系统般用三阶互调失真比i m r 3 作为衡量线性度的重要指标。另一个衡量三 阶互调失真程度的指标是三阶互调截点i p 3 ，定义为三阶互调功率达到和基波功率 相等的点，此点所对应的输入功率表示为i i p 3 ，输出功率表示为o i p 3 。 ( 4 ) a c p r 当放大器输入信号为宽带信号时，由于功放管非线性效应的影响，会使输出 信号频谱出现扩展现象。这时度量系统的线性度可用邻近信道功率比( a c p r ) 指 标。a c p r 可简单的定义为主信道功率与邻近信道功率的比值，它反映的是带外杂 散信号对相邻信道的影响大小。a c p r 与i m r 3 具有一定联系，用i m r 3 可以合理 的估计a c p r 。 衡量放大器线性度的指标还有矢量误差幅度( e v m ) ，它可直接反映时域内实 际发射信号和理想调制信号的差别。有关功率放大器线性度指标的具体分析，可 参考已有文献f 4 3 掣 ，本文不再赘述。本文研究的开关e 类功率放大器，由于其输 入与输出之间并不存在线性关系，因此上述线性度指标并不适用于分析其性能。 2 1 2 效率 现代无线通信技术对系统小型化和节能的要求越来越高。功率放大器是移动 电子科技大学硕士学位论文 通信设备耗能非常高的器件，提高功率放大器的效率是其发展的内在要求。效率 的提高意味着能耗的减小，待机时间延长，散热要求变低，体积变小，系统集成 的难度也会相应降低。本论文研究的e 类功率放大器所关注的核心指标就是工作 效率。一般对功率放大器效率的衡量有两种定义：集电极( 漏极) 效率和功率附 加效率( p a