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X波段GaN开关功率芯片的研究

X波段GaN开关功率芯片的研究

作者：刘煜杰电子科技大学

学位级别：硕士

固态微波技术使军事电子系统体积越做越小、质量也越来越轻,同时还具备了高可靠性的特点。作为宽禁带半导体的典型代表,氮化镓（GaN）材料凭借其自身材料的优势非常适合应用于微波功率器件领域,使得其成为当前军用电子系统研究和应用的... 详细信息

固态微波技术使军事电子系统体积越做越小、质量也越来越轻,同时还具备了高可靠性的特点。作为宽禁带半导体的典型代表,氮化镓（GaN）材料凭借其自身材料的优势非常适合应用于微波功率器件领域,使得其成为当前军用电子系统研究和应用的热点。X波段（8～12GHz）是雷达应用的重要频段,因此X波段的微波芯片研究对雷达系统有重要意义。开关功率芯片是将功放和开关一体化集成的芯片,是射频收发（T/R）前端的关键部件。与传统T/R采用分立的开关芯片和功放芯片方案相比,一体化集成芯片更有利于射频前端的小型化,并且减少微组装工艺从而提高T/R装配效率和系统可靠性,对军事电子装备有着重要的意义。本文基于0.15μm SiC基GaN工艺对X波段开关功率芯片进行了研究,重点针对开关和功放输出网络的插损过大以及失配问题,提出了一种开关和功放输出匹配网络融合设计的方法,主要工作如下:1、针对开关功率芯片对低插损、高功率容量（大于10W）开关的需求,采用多个串并联开关晶体管相结合的方式,设计了一款单刀双掷（SPDT）开关芯片,该芯片面积1.6×0.7mm,仿真结果显示,该开关具备20W的功率处理能力,在8～12GHz全频段范围内插损小于0.7d B,隔离度大于29d B。2、针对开关功率芯片对宽带、高效率功放的需求,采用多级放大,多路功率合成的电抗式匹配方式,设计了一款面积为3.5×2.2 mm的功放,仿真结果显示,该功放在8～12 GHz范围内小信号增益大于33.5 d B,输入回波损耗S小于-15 d B,输出功率P大于41.5d Bm,功率附加效率PAE大于38%,功率增益大于21d B。3、针对传统级联式设计开关功率芯片存在的端口阻抗失配问题,提出了一种利用开关等效元件去替换功放输出匹配网络中的匹配元件,从而实现发射支路的开关与功放输出匹配网络一体化融合的设计方法。该方法消除了因为级联引入的阻抗失配并且降低了开关和输出匹配网络整体的插损。仿真结果表明,融合设计的网络插损在X波段全频段比级联方式降低0.1 d B以上。连续波测试结果表明,所设计的开关功率芯片在8～12 GHz范围内,发射支路具备32 d B以上的小信号增益和-10d B以下的S,饱和输出功率大于40 d Bm,功率附加效率（PAE）高于30%。接收支路开关具有1.7 d B以内的插入损耗和35 d B以上的隔离度。

关键词：氮化镓 MMIC 开关功率芯片宽带功放高功率开关

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宽带阻抗转换网络的设计及应用

宽带阻抗转换网络的设计及应用

作者：郜政西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着现代微波技术的发展,一方面雷达、通信和定位系统需要满足宽频带多频点的设计要求,另一方面相关的电子测试技术同样追求更高精度更宽频带的性能。在宽带宽阻抗测试中,待测件阻抗与测试仪器端口的50Ω系统阻抗不匹配易导致测试误差... 详细信息

随着现代微波技术的发展,一方面雷达、通信和定位系统需要满足宽频带多频点的设计要求,另一方面相关的电子测试技术同样追求更高精度更宽频带的性能。在宽带宽阻抗测试中,待测件阻抗与测试仪器端口的50Ω系统阻抗不匹配易导致测试误差激增等问题,此时引入阻抗变换网络不仅能达到阻抗预匹配的效果,还起到扩展系统工作频带、阻抗测试范围以及提高待测阻抗测试精度的作用。传统的阻抗变换网络是针对某一频点进行设计,采用固定参数的集总元件或微带线结构,虽然具有一定的带宽效应但不能满足宽频带测试要求,难以适应现如今宽带的系统应用。针对上述窄带阻抗变换网络存在的缺陷,本文介绍了多节阶梯型阻抗变换,渐变型阻抗变换和波导过渡三种宽带阻抗变换设计方法。针对宽带宽阻抗测试系统中测试频段跨度大的问题,本文将测试频段划分为若干频段:Ku波段以下、Ka波段以及W波段。针对待测阻抗测试范围大的问题,将待测阻抗相较于系统阻抗50Ω大小划分为低于50Ω的低阻抗和高于50Ω的高阻抗。Ku波段以下,采用微带结构进行阻抗变换设计。对于高阻抗150Ω向50Ω的阻抗变换设计,采用切比雪夫型多节阶梯变换线,计算各段微带线阻抗值,并通过ADS进行仿真设计,然后进行实验验证。结果表明本方法在1GHz～16GHz内回波损耗大于10dB,整体测试带宽提升至15GHz。对于低阻抗8Ω的阻抗变换设计,分别采用切比雪夫型多节阶梯变换线和克洛芬斯坦型渐变线进行各段微带线特征阻抗值的计算,并进行仿真与实验验证,结果表明两种设计方法在3GHz～10GHz内回波损耗均大于10dB,测试带宽可扩展至7GHz。在Ka波段采用脊波导的过渡结构,将300Ω波导端口分别变换至待测部分的低阻抗20Ω及测试仪器特征阻抗50Ω的2.4mm同轴接口,通过计算分析求得各部分脊波导口所表征的阻抗值。对整体过渡结构进行仿真与实验验证,其在31GHz～40GHz内回波损耗大于10dB,测试阻抗可变换至20Ω。在W波段利用微带探针结构对300Ω波端口向微带特征阻抗100Ω阻抗变换进行理论分析,并进行仿真设计,在85GHz～100GHz设计带宽内回波损耗大于10dB,插入损耗小于0.5dB。最终对于上述所提出的宽带阻抗变换结构,在基于CGH40010F GaN HEMT管件的宽带功率放大器的设计中进行应用验证。在0.5GHz～2.5GHz设计带宽内,增益为11dB左右,源端及负载端回波损耗均大于10dB,工作带宽相较于应用相同管件设计的功放电路提升至2GHz。

关键词：宽带阻抗变换阶梯阻抗线脊波导宽带功放

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宽带大回退Doherty功率放大器研究

宽带大回退Doherty功率放大器研究

作者：朱枭宇电子科技大学

学位级别：硕士

为了满足即将到来5G时代的高速信号传输,通信系统中的核心部件——功率放大器必须满足越来越高的要求。其中包括:宽带、高效率(工作在较大PAPR(峰均比)的调制信号下)以及数字化等等。Doherty功率放大器作为一种回退效率提升技术在带宽... 详细信息

为了满足即将到来5G时代的高速信号传输,通信系统中的核心部件——功率放大器必须满足越来越高的要求。其中包括:宽带、高效率(工作在较大PAPR(峰均比)的调制信号下)以及数字化等等。Doherty功率放大器作为一种回退效率提升技术在带宽、高回退效率以及易实现等方面具有巨大的潜力。因此本文将从Doherty功放的基本理论出发,扩展其带宽以及回退量以实现更加良好的性能,本文的主要研究内容和创新点归纳如下:1、本文对有源负载调制以及Doherty功放的基本理论进行了分析,提出了其中四分之一波长线的使用对于Doherty功放带宽的限制。在此基础上采用后匹配结构以及宽带输出匹配网络替换了传统Doherty功放中的四分之一波长线以扩展其工作带宽。在该理论基础上设计了一款工作于2.1GHz-2.6GHz的Doherty功放。实验结果表明其在设计频段内:饱和输出功率为:43.4 dBm-44.2dBm;饱和漏极效率为:54.8%-67.3%;6dB-8dB输出功率回退区间其漏极效率为:44.6%-58%;饱和增益为:11.5 dB-13.4dB。另外分析了裸片较带封装的晶体管的优势,在此基础上采用裸片设计了一款面向5G应用的Doherty功放,实验结果表明:其在3.3GHz-4.3GHz饱和输出功率大于43.1dBm;饱和漏极效大于58.6%;6dB回退区间效率大于45%;饱和增益为7dB-10.75dB。以上两款Doherty功放与近期报道结果对比皆具有一定的优势。2、本文分析了连续J类功放的负载阻抗解空间扩展方法以及其基本原理,并且分析了非对称Doherty功放的基本理论以扩展传统Doherty功放的回退量。在以上基础上将连续J类功放的阻抗解空间运用于非对称Doherty功放的设计当中。基于这一模型,本文设计了工作频段为1.8GHz-2.6GHz的宽带非对称Doherty功放。实验结果表明该Doherty功放在1.7GHz-2.5GHz内饱和输出功率为:44.8-45.2dBm;饱和漏极效率为:51.4%-67.8%;9dB输出功率回退区间其漏极效率为:49.6%-63.4%;饱和功率增益为:8.2dB-13.2dB。3、本文分析了传统单输入Doherty功放中的限制因素,并在此基础上提出一种基于幅度与相位差可控的数字双输入三路Doherty功放的架构。仿真与实验结果表明该结构能够有效的排除传统单输入Doherty功放中的相位补偿线、固定功分比以及深度偏压的C类功放对Doherty功放的设计所带来的限制。为了验证该结构的优势,笔者设计了频段为3.4GHz-4.2GHz的数字双输入三路Doherty功放。测试结果表明:该Doherty功放在3.3GHz-4.1GHz内饱和输出功率大于46.5dBm;9dB输出功率回退区间漏极效率优于49%。

关键词：功率放大器宽带功放 Doherty功放后匹配数字双输入非对称 J类

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基于F类高效率射频功率放大器的研究与设计

基于F类高效率射频功率放大器的研究与设计

作者：段亚朋河南理工大学

学位级别：硕士

正在全面推广应用的第五代移动通信技术(5G),为新一代射频通信的技术革新提供了无限的可能。当前正处于通信技术更新换代的过程中,通信网络正处于并将长期处于多模式和多标准共存的状态,发展多制式、多标准的通信系统具有更广阔的应用... 详细信息

正在全面推广应用的第五代移动通信技术(5G),为新一代射频通信的技术革新提供了无限的可能。当前正处于通信技术更新换代的过程中,通信网络正处于并将长期处于多模式和多标准共存的状态,发展多制式、多标准的通信系统具有更广阔的应用前景。功率放大器作为通信系统中最关键且能耗最大的器件之一,其带宽和效率等性能的好坏将对整个系统产生重要的影响。针对射频功放的频带覆盖问题,宽带和多频技术提供了解决方案,其中宽带功放提供了在连续工作频带内信号的放大作用,而多频功率放大器则可以跨频程针对特定频带进行精确设计,实现所需频段的优良性能。因此,高效率的多频和宽带功放技术是业内热门的研究方向。本文基于F类功率放大器的基本工作原理,针对高效率的多频和宽带F类功放进行深入研究,创新了高效率功放的拓扑结构并应用于设计实例,实现了功放在多模多频应用下的优异性能。本文主要的创新成果包括:(1)提出了一种基于连续F类的双频高效率功率放大器的的设计方法,利用提出的双频谐波控制网络,将任意两个频点处的二次和三次谐波进行精确地控制,从而实现了双频F类功放的高效率性能。紧接着,提出了一种简化的双频基波匹配网络拓扑结构,可同时实现任意两个频点的基波阻抗匹配。基于所提出的方法,使用CGH40010F Ga N HEMT晶体管加工实现了一款工作在1.8和2.6GHz的双频F类功放并进行了测试验证。结果显示,双频功放在1.8和2.6GHz的最大漏级效率分别达到了76.6%和75.2%,饱和输出功率分别为40.6d Bm和39.5d Bm,增益分别达到15.5d B和13.6d B。与国内外同类型相关文献对比结果表明,所设计的双频功放在提高效率方面具有显著优势。(2)提出了一种基于F类的三频高效率功率放大器的设计方法,利用CGH40010F有源器件模型在三个频点处的负载牵引结果,提出了一种新型三频谐波控制网络的设计方法,可精确地将三个频点处的高次谐波控制在F类模式下的高效率阻抗空间内,从而实现三频功放的高效率工作。提出了一种三频基波匹配网络拓扑结构,可同时实现三个频点处的最佳基波阻抗匹配。为验证所提出的结论,使用罗杰斯4350B介质基板加工实现了一款工作在1.8GHz,2.6GHz和3.4GHz三频F类功放并进行了测试。结果表明,在三个频点处的最大漏级效率分别为74.2%,73.8%和69.0%,饱和输出功率分别为40.5 d Bm,39.7 d Bm和39.0d Bm,增益分别为14.5d B,13.7d B和13.0d B。通过与国内外同类型相关文献对比表明,所提出的三频功放设计方法在提升多模多频功放效率方面具有明显的优势。(3)基于短截线技术提出了一种多频点宽带阻抗匹配网络的拓扑结构,具有结构简单的同时实现了宽带范围内的阻抗匹配并将谐波阻抗控制在连续F类模式下的高效率阻抗设计空间内。采用CGH40010F晶体管在Rogers 4350B基板上进行实物了的加工与测试,结果显示,所设计的宽带连续F类功率放大器在1.8～2.6GHz的工作频带内,实现了68.2%～78.7%的漏级效率,饱和输出功率达到38.5～40.0d Bm,带内增益均大于13d B,功放整体表现出良好的宽带特性。对于当前4G/5G通信的工作频段下的应用,具有一定的工程实用价值。图62幅,表11个,参考文献85篇。

关键词：功率放大器 F类功放双频功放三频功放宽带功放多频和宽带基波匹配

20MHz^520MHz宽带功率放大器的研制

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电子技术应用 2020年第8期46卷 1-4,8页

作者：李贺梁坤刘敏何颖张晖中国电子科技集团公司第五十八研究所江苏无锡214072

新一代半导体材料GaN相比于Si、GaAs等材料,具有禁带宽、击穿场强高、热稳定性优异等特性,在宽带功放的设计中被广泛使用。基于CREE公司的两款GaN功率芯片进行级联,匹配电路为集中元件和分布元件混合,采用负反馈技术提高带宽,RC并联网... 详细信息

新一代半导体材料GaN相比于Si、GaAs等材料,具有禁带宽、击穿场强高、热稳定性优异等特性,在宽带功放的设计中被广泛使用。基于CREE公司的两款GaN功率芯片进行级联,匹配电路为集中元件和分布元件混合,采用负反馈技术提高带宽,RC并联网络提高稳定性,设计了一款20 MHz^520 MHz的宽带功放。利用ADS软件对芯片模型和匹配电路进行优化仿真和实际调试,在20 MHz^520 MHz频段内,功放模块饱和输出功率大于9 W,增益大于29.5 dB,漏极效率高于40%,带内平坦度为±0.7 dB。

关键词： GaN 宽带功放负反馈饱和输出功率增益漏极效率

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跳频码发生器的设计

国外电子测量技术 2007年第6期26卷 39-41页

作者：姚晓亮刘春河杨林杰山东大学威海分校威海264209

系统以AT89S52单片机为控制核心，利用高速FPGA（Cyclone）来发生DDS信号，并对跳频信号进行控制，完成对跳频码发生器的设计。跳频信号采用DDS滤波实现。系统跳频输出频率范围为10-15MHz，单频输出时频率稳定度为1×10^-5、频率精确度... 详细信息

系统以AT89S52单片机为控制核心，利用高速FPGA（Cyclone）来发生DDS信号，并对跳频信号进行控制，完成对跳频码发生器的设计。跳频信号采用DDS滤波实现。系统跳频输出频率范围为10-15MHz，单频输出时频率稳定度为1×10^-5、频率精确度为1×10^-6，最小频率间隔跳频为10kHz，最大允许输入跳频点为50个，跳频速率高达100000跳/秒。跳频点数和具体跳频点可由外界通过键盘输入给定。经测试，跳频速率较快，输出波形较好。

关键词：单片机跳频码 FPGA 无源滤波宽带功放 AGC

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高速卫星通信终端数字预失真补偿技术研究

电声技术 2023年第3期47卷 149-152页

作者：韩晓娱尹曼中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄050081

数字预失真补偿技术是解决宽带卫星系统功率、带宽资源矛盾的关键技术之一,Ka频段宽带预失真技术受器件、速率等因素限制实现难度较大。考虑记忆效应和通带非线性的等效离散Ka宽带功放建模,采用单位延迟抽头的多项式模型。宽带预失真算... 详细信息

数字预失真补偿技术是解决宽带卫星系统功率、带宽资源矛盾的关键技术之一,Ka频段宽带预失真技术受器件、速率等因素限制实现难度较大。考虑记忆效应和通带非线性的等效离散Ka宽带功放建模,采用单位延迟抽头的多项式模型。宽带预失真算法采用间接学习自适应预失真算法。搭建基于宽带通用调制解调器的多项式拟合预失真验证系统,并完成实验验证。采用正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)体制,当解调损失在误码率为10-7时,比特能量噪声功率谱密度比(Eb/N0)与理论值相差1.4 dB,比未加预失真器时改善了2 dB,有效降低了功放非线性对通信信号的影响。高速卫星通信终端数字预失真补偿技术大幅降低了系统实现规模和功耗,提升了高速数据传输系统的性能,可支持星载宽带系统的设计实现。

关键词：预失真补偿宽带功放调制解调技术

高效率30~512 MHz宽频带功率放大器设计

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电子产品世界 2023年第8期30卷 43-48页

作者：柯乐乐吕迎春胡礼本唐冬生同方电子科技有限公司江西九江332002

在现代无线通信系统中,信息传输正朝着多载波、大容量、高速度方向迅猛发展,通信系统对射频部件的各项性能提出了更高的要求。作为射频前端模块的重要部件,宽带线性功率放大器对通信连接的性能起着至关重要的作用。为了实现多个倍频程... 详细信息

在现代无线通信系统中,信息传输正朝着多载波、大容量、高速度方向迅猛发展,通信系统对射频部件的各项性能提出了更高的要求。作为射频前端模块的重要部件,宽带线性功率放大器对通信连接的性能起着至关重要的作用。为了实现多个倍频程的远距离实时通信,采用负反馈技术设计一款覆盖宽频带、谐波抑制高、高稳定性、高增益的小型化线性功率放大器。

关键词：宽带功放负反馈谐波稳定性增益效率