双频谐波控制型功率放大器与谐波控制型功率合成放大器设计

作     者：彭习文 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢泽明;李惊生

授予年度：2020年

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

主      题：一体化设计 滤波功率放大器 功率合成器 悬置微带线 谐波控制 

摘      要：随着无线通信系统的快速发展,传统的单一通信系统已经不能满足日益发展的通信需求,双频或者多频通信引起了学者们的广泛关注和研究。功率放大器、滤波器、功率合成器等器件是无线通信系统的重要组成部分,然而这些器件往往都是单独设计,通过级联组成无线通信系统。这大大增加了系统的体积,带来了一定的损耗,不符合无线通信系统小型化、集成化、低成本、高性能的发展趋势。为了实现高效率,节约系统体积和成本,一体化设计的滤波功率放大器以及滤波功率合成放大器成为广泛关注的焦点。为了满足双频通信的需求,本论文首先设计了谐波控制的双频滤波功率放大器,然后设计了谐波控制的滤波功率合成放大器。在设计中,滤波器、滤波功率合成器和放大器协同设计,使电路具有较高的效率。具体介绍如下:1、提出一款双频SLR型悬置微带线滤波器。首先介绍了悬置微带线结构,其特点为低损耗,且有利于宽带滤波器的设计;为了实现带宽独立可调,利用开路枝节加载谐振器和短路枝节加载谐振器形成双通带,仿真分析并验证了双通带的带宽独立可调。同时该滤波器结构在双通带两侧共产生三个传输零点,从而体现了该滤波器的高选择性。低频段的-10d B带宽为2.223-2.626GHz(403MHz),高频段的-10d B带宽为3.243-3.781GHz(538MHz),从而体现了该双频滤波器的宽带特性。在低频点2.4GHz处,其回波损耗为19.53d B,插损为0.34d B;在高频点3.5GHz处,其回波损耗为27.91d B,插损为0.26d B,从而体现了其匹配好、低插损的良好特性。2、提出了一款谐波控制型滤波功率放大器。基于双频SLR型悬置微带线滤波器的分析,该滤波功率放大器使用微带结构及双频滤波器共同组成其输出网络,滤波器充当输出匹配网络和谐波控制网络的一部分,调节其输出网络的基波输入阻抗,以实现与晶体管的最佳基波阻抗的最佳匹配,二次谐波和三次谐波的S相位远离低效区,从而完成该双频滤波功放的一体化设计。最终实现了在2.3-2.5GHz,其输出功率约为40d Bm,且输出效率均大于65%,最大输出效率为69.382%。在3.4-3.6GHz,其输出功率均大于40d Bm,且输出效率均大于60%,最大输出效率为64.5%,仿真与实测结果较为吻合,从而表明了一体化设计的双频滤波功率放大器的高效率输出特性。3、提出了一款谐波控制型滤波功率合成放大器。通过Wilkinson功分器与四分之一波长谐振器的原理分析,实现了滤波器与功分器的联合设计;为了改善其滤波特性,使用SIR型Wilkinson功分器实现了较好的双模滤波特性;为了提升其隔离度,减少两个晶体管之间的影响,额外添加一个隔离单元,最终实现了低插损、宽带的滤波功率合成器。该滤波功率合成器同时担任功率放大器的滤波器网络、输出阻抗匹配网络、谐波控制网络,将功率放大器的最佳基波阻抗作为滤波功率合成器的输入阻抗,调整功率合成器的二次谐波以及三次谐波的相位远离低效区,最终实现滤波器、功率合成器、功率放大器的一体化设计。最终该滤波功率合成放大器在2.15-2.62GHz范围内,输出功率均超过42.5d Bm,且输出效率均大于65%。该滤波功率合成放大器的输出效率大于65%的带宽达到了470MHz,其中输出效率大于70%的带宽有335MHz,最大输出效率达到了73.92%,最大功率达到了44.6d Bm,仿真结果表明该一体化设计的滤波功率合成放大器具有高效率输出的特性。