基于GaN HEMT的高效率E类功率放大器的设计研究

作     者：王晶渊 

作者单位：中国航天科技集团公司第五研究院西安分院 

学位级别：硕士

导师姓名：于洪喜

授予年度：2018年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080902[工学-电路与系统] 08[工学] 

主      题：GaN HEMT 高效率 E类功率放大器 去封装 谐波抑制 

摘      要：高效率,是微波功率放大器设计的永恒主题。随着全球无线通信技术的日益发展,用户对系统能耗的要求越来越高。无线射频发射机是无线通信硬件系统的关键一环,而功率放大器又是无线射频发射机中的主要耗能单元。提升功率放大器的效率就可以降低系统的功耗。E类功率放大器（class-E power amplifier）是开关类功率放大器（switching mode PA）的一种,其理论效率可达100%,可以有效解决线性功率放大器效率不足的问题。论文首先介绍了晶体管技术和E类功率放大器的研究历史和研究进展,并阐述了功率放大器的分类、指标、组成等基本理论。然后,本文在开关类功率放大器的基础上构建了E类功率放大器的电路,并定量推导了负载网络各元件的设计公式。随后利用氮化镓（GaN）晶体管设计了卫星测控频段2.2GHz的E类功率放大器。仿真结果表明,漏极电压电流波形基本符合E类,但存在部分交叠。针对这个问题,在晶体管漏极引入了“去封装电路,并在等效开关面处观察到理想的E类波形。接着,开展了2.2GHz微带线E类功率放大器的研究。本文提出一种部分谐波抑制和漏极电感增强的设计方法,将集总元件的负载网络转化为微带线形式,使负载网络具备谐波抑制和阻抗变换的作用。实测结果表明,在2.1GHz.3GHz通带内,功率附加效率（PAE）均超过了60%,且输出功率不低于40dBm。中心频率处PAE可达67.3%,输出功率为41.03dBm,功率增益G超过15dB。最后,指出了论文工作中存在的诸如线性度等问题,分析了下一步优化的方向,并对未来GaN E类功率放大器的发展进行了展望。