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射频高效e类功率放大器研究

射频高效E类功率放大器研究

作者：汪标北京邮电大学

学位级别：硕士

功率放大器作为射频发射机的重要部件,对发射机的性能指标起着关键作用。它主要放大射频信号,并且以高效率高输出功率为目的,应用于各种发射机。由于射频信号的功率放大实质是在输入射频信号的条件下将电源直流功率转化为射频功率,因此... 详细信息

功率放大器作为射频发射机的重要部件,对发射机的性能指标起着关键作用。它主要放大射频信号,并且以高效率高输出功率为目的,应用于各种发射机。由于射频信号的功率放大实质是在输入射频信号的条件下将电源直流功率转化为射频功率,因此转化效率的高低将直接决定整个发射机的性能。为了实现高效率高线性度发射机结构,研究射频高效功率放大器俨然成为一种必然的趋势。 e类射频功率放大器因其高的工作效率,高的输出功率,在无线通信系统的发射机中得到极其广泛的应用,特别是在一些新型的发射机结构中。本文主要研究高效e类射频功率放大器。文中首先在深入理解大功率与高效率功率放大器基本理论的基础上对设计方法进行了探讨,提出了理论的创新和设计方法的改进;并对功率放大器设计的性能指标和线性化技术展开了研究,给出了它们在实际设计过程的提高方案。然后重点探讨了高效e类射频功率放大器的设计思想和过程,优化了设计理念与流程,大大改善了设计效率。接着详细研究与设计了一款工作频率为1.96GHz、输出功率为39dBm、增益为16.5dB的e类功率放大器,借助安捷伦ADS软件对射频放大器进行建模仿真,在此基础上,对放大器的直流偏置以及稳定性进行分析,并结合Smith圆图,利用微带线设计其输入输出阻抗匹配电路。同时根据仿真结果对整个功率放大电路进行了性能参数和结构优化,优化后整体性能得到大大改善。文中最后还给出了其射频PCB板图设计。根据板图制作了该功率放大器,并对其整体性能参数进行了测试。结果表明,该e类功率放大器在特定频率下达到了预期的设计目标。

关键词：射频发射机 e类功率放大器高效 ADS软件

磁共振无线电能传输系统中e类功率放大器的研究与设计

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磁共振无线电能传输系统中E类功率放大器的研究与设计

作者：林伟博南京邮电大学

学位级别：硕士

近年来无线电能传输技术获得了国内外学者和工业界人士的广泛关注。基于磁共振的无线电能传输因其具有较远的传输距离,被普遍认为是解决各类消费电子设备中无线充电问题的有效方案。本文针对磁共振无线电能传输系统设计了一款高效率开关... 详细信息

近年来无线电能传输技术获得了国内外学者和工业界人士的广泛关注。基于磁共振的无线电能传输因其具有较远的传输距离,被普遍认为是解决各类消费电子设备中无线充电问题的有效方案。本文针对磁共振无线电能传输系统设计了一款高效率开关型e类功率功率放大器,并应用于具有磁共振无线电能传输的音响系统。该设计不但提高无线电能传输系统效率,而且实现了信号和能量在系统中协同传输的功能。首先,本文结合高频功率放大器的设计理论以及磁共振无线电能传输的特点对e类功率放大器电路进行了理论分析,利用ADS软件对具有并联电路的e类功率放大器进行了电路设计和仿真。然后,本文通过对e类功率放大器的PCB电路进行合理的布局,利用分立元件完成了中心频率为10MHz的e类功率放大器制作。根据测试结果,当输入功率为25dBm时,e类功率放大器的最大功率附加效率为88.9%,输出功率为45.2dBm,增益为20.2dB,达到了设计指标。最后,本文设计一个具有磁共振无线电能传输的音响系统。该系统包括压控振荡器、驱动放大电路、e类功率放大器、谐振收发线圈、整流滤波电路、稳压电源等相关电路模块。根据实际测量结果,系统最大有效传输距离为60cm。当系统传输距离在25cm-35cm之间时,系统喇叭声音质量良好,负载能够最大接收14.9W的功率,系统整体效率约为49.6%。该实验验证e类功率放大器在磁共振无线电能传输系统中的可行性,显著改善了无线电能传输系统的传输效率。

关键词：磁共振无线电能传输 e类功率放大器效率能量与信号协同传输

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射频高效开关e类功率放大器研究

射频高效开关E类功率放大器研究

作者：曹韬电子科技大学

学位级别：硕士

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GaAs和GaN器件实现了工作于2.14GHz的微带... 详细信息

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GaAs和GaN器件实现了工作于2.14GHz的微带线e类功率放大器的设计。采用GaAs器件设计的e类功率放大器在漏极供电10.2V时,工作效率为66.93%,输出功率37dBm,具有10dB增益。采用GaN器件设计的逆e类功率放大器在漏极供电23V时,工作效率为70.2%,输出功率40.45dBm,具有11dB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100%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155MHz,输出功率40.07dBm,工作效率83.87%,PAe82.57%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155MHz,输出功率40.02dBm,工作效率78.42%,PAe78.18%,增益25.02dB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

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2GHz硅基e类射频功率放大器设计

2GHz硅基E类射频功率放大器设计

作者：陆时雨东南大学

学位级别：硕士

多年来砷化镓工艺一直凭借着高频特性好、损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大等优点垄断了射频功率放大器的设计领域。但近年来,随着工艺的发展,硅基工艺中MOS器件特征尺寸不断减小,SiGe BiCMOS的截止频率已经高达200GHz,满足射频功率... 详细信息

多年来砷化镓工艺一直凭借着高频特性好、损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大等优点垄断了射频功率放大器的设计领域。但近年来,随着工艺的发展,硅基工艺中MOS器件特征尺寸不断减小,SiGe BiCMOS的截止频率已经高达200GHz,满足射频功率放大器设计的需求。同时,由于硅基工艺价格较低,成品率较高,因此有必要对硅基工艺下的射频功率放大器的设计进行研究。本文在介绍了功率放大器的工作原理、设计指标和不同种类功率放大器的优缺点的基础上,详细地介绍了e类功率放大器的设计原理,给出了使用0.18μm SiGe BiCMOS工艺的2GHz e类功率放大器的设计方法,完成了电路设计、前仿真、版图设计和后仿真。本文设计的e类功率放大器为全差分结构,输出级采用共源共栅结构以保证MOS管工作在安全电压下不被击穿。功率放大器的驱动级由谐振放大器构成,它能够保证在提供足够大的开关信号的同时消耗较小的功率。功率放大器的匹配网络和LC巴伦由高Q值片外元件组成,降低了损耗,进一步保证了功率放大器具有较高的效率。后仿真结果表明,在3.3V的供电电压下,功率放大器的输出功率可以达到30dBm,功率附加效率达到50%以上,功率增益大于23dB,输入端反射系数小于-15dB。本文所设计的功率放大器具有较大的输出功率和较高的效率,为硅基工艺下设计大功率高效率射频功率放大器打下了基础。由于本文设计的功率放大器采用硅基工艺制造,不但大大降低了制造成本,而且为功率放大器和收发机的其它电路模块集成在同一块芯片上提供了参考。

关键词：硅基工艺 e类功率放大器功率附加效率

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基于电源调制器的宽带e类功率放大器研究

基于电源调制器的宽带E类功率放大器研究

作者：李虎电子科技大学

学位级别：硕士

现代无线通信技术的快速发展,使得信号的带宽和峰均比不断增加,传统发射机结构已经难以满足通信设备对效率和带宽的需求。新型高效率发射机结构如包络跟踪(eT)、包络消除与恢复(eeR)、极坐标发射机、Doherty发射机开始受到广泛应用和关... 详细信息

现代无线通信技术的快速发展,使得信号的带宽和峰均比不断增加,传统发射机结构已经难以满足通信设备对效率和带宽的需求。新型高效率发射机结构如包络跟踪(eT)、包络消除与恢复(eeR)、极坐标发射机、Doherty发射机开始受到广泛应用和关注。本文基于此背景,将应用于eT、eeR、极坐标发射机中的宽带高效率e类功率放大器和包络放大器作为主要研究内容,以进一步提高新型发射机的带宽和效率。现将本文主要内容和贡献总结如下:1.通过对e类功率放大器和宽带匹配理论的研究,使用6阶切比雪夫低通滤波器结构作为e类功率放大器的输出匹配网络来拓展带宽。最终实现了工作带宽在1.6-2.7GHz,漏极效率在72%到87%之间,输出功率大于40dBm的宽带高效率e类功率放大器。2.在晶体管非线性电容的影响下,分析了e类功率放大器漏极直流阻抗与漏极供电电压的关系。定义了功率放大器的宽带包络阻抗,并使用记忆多项式建立了应用于eT结构中的e类功率放大器宽带包络阻抗模型。通过包络阻抗与包络电压的AM-AM曲线和最终的模型参数得出e类功率放大器的包络阻抗具有记忆效应和非线性。最后推导了包络放大器平均效率与包络阻抗概率密度分布的关系,给出了使用包络阻抗模型来优化包络放大器平均效率的方法及仿真结果。3.通过比较现有拓展包络放大器带宽的方法,提出了一种改进的e类逆变和e类整流(Class-e)包络放大器结构。通过使用栅极脉冲调制方式来提高传统Class-e包络放大器的开关频率以达到宽带包络放大目的,并且简化了结构。最终通过实验完成了栅极脉冲调制Class-e包络放大器,其开关频率达到1.75GHz、带宽大于20MHz、△∑最大调制频率达到200MHz,高效率电压回退区间大于6dB。

关键词：高效率发射机 e类功率放大器包络放大器包络阻抗

AlGaN/GaN HeMT e类功率放大器设计

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AlGaN/GaN HEMT E类功率放大器设计

作者：朱磊电子科技大学

学位级别：硕士

无线通讯技术的迅猛发展对功率放大器功率、频率、高温特性提出了更高的要求,第三代(宽禁带)半导体材料GaN以其优异的电学特性使得AlGaN/GaN HeMT功率放大器成为研究热点。本论文主要建立了AlGaN/GaN HeMT等效电路模型并基于模型设计Ga... 详细信息

无线通讯技术的迅猛发展对功率放大器功率、频率、高温特性提出了更高的要求,第三代(宽禁带)半导体材料GaN以其优异的电学特性使得AlGaN/GaN HeMT功率放大器成为研究热点。本论文主要建立了AlGaN/GaN HeMT等效电路模型并基于模型设计GaN功率放大器。本文首先对参数提取方法进行研究,针对传统模拟退火算法在优化速度上的不足,对模拟退火算法在扰动机制、退火方式、记忆功能和回火机制等方面进行改进,提出了一种改进模拟退火算法,Matlab计算结果表明该算法较改进前速度提高约20%。接着从AlGaN/GaN HeMT基本原理出发,通过在等效电路拓扑结构上增加RC子电路以描述电流崩塌,并在大信号模型上增添拟合参数的温度特性以描述自加热效应,改进了AlGaN/GaN HeMT等效电路模型。I-V仿真曲线与测试结果相比误差在5%以内,电流崩塌仿真结果与测试结果相比误差小于15%。基于建立的AlGaN/GaN HeMT等效电路模型设计了一个可工作在2.4GHz频率的采用准F类放大器作为功率放大器增益驱动级的高效率AlGaN/GaN HeMT e类单端两级功率放大器。ADS仿真结果显示其输出功率达到33dBm,功率增益为28dB,功率附加效率达到66%。

关键词： AlGaN/GaN HeMT 模拟退火算法等效电路模型电流崩塌 e类功率放大器

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2.4GHz硅基e类脉冲功率放大器设计

2.4GHz硅基E类脉冲功率放大器设计

作者：马武东南大学

学位级别：硕士

雷达在民用和军事上发挥着重要的作用,与人民生活和国家安全息息相关。随着半导体工艺的快速发展,越来越多的半导体器件和技术应用于雷达收发机系统设计中。脉冲功率放大器是雷达收发机系统的关键模块,其工作性能直接决定着收发机系统... 详细信息

雷达在民用和军事上发挥着重要的作用,与人民生活和国家安全息息相关。随着半导体工艺的快速发展,越来越多的半导体器件和技术应用于雷达收发机系统设计中。脉冲功率放大器是雷达收发机系统的关键模块,其工作性能直接决定着收发机系统的整体性能。高输出功率和高功率附加效率的e类脉冲功率放大器是当前学术界和工业界研究重点,对e类脉冲功率放大器设计展开研究具有重要的理论意义和现实价值。本文采用JAZZ 0.18μm SiGe BiCMOS工艺设计应用于雷达系统的e类脉冲功率放大器,工作频率为2.4GHz。e类脉冲功率放大器包括功率分配网络、输入阻抗变换网络、脉冲功率放大器模块、输出阻抗变换网络及功率合成网络等。输入阻抗变换网络和输出阻抗变换网络为L型匹配网络。功率分配网络和功率合成网络通过LC巴伦和威尔金森功合器实现。脉冲功率放大器模块由两个单路脉冲功率放大器组成,单路脉冲功率放大器主要包括偏置电路、脉冲调制电路和功率放大器电路。偏置电路提供静态偏置,脉冲信号通过脉冲调制电路控制功率放大器电路工作状态,功率放大器电路采用全差分结构减小寄生参数的影响。论文给出e类脉冲功率放大器的电路设计、前仿真、版图设计及后仿真,所设计e类脉冲功率放大器版图面积为930×1778μm2。输入信号频率为2.4GHz,输入信号功率1OdBm,e类功率放大器在SS85℃条件下后仿真结果最差,当脉冲信号为低电平时,功率放大器直流功耗为2.25mW,近似关断;当脉冲信号为高电平时,输出功率为31.09dBm,功率附加效率为37.60%,二次谐波抑制为-44.38dBc,三次谐波抑制为-79.17dBc,功率放大器满足所有指标要求。本论文所设计的e类脉冲功率放大器满足各项指标要求,可应用于雷达收发机系统中。

关键词：脉冲调制 e类功率放大器功率合成差分结构

基于锗硅技术的1.6GHz e类射频功率放大器设计

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基于锗硅技术的1.6GHz E类射频功率放大器设计

作者：朱蜀梅东南大学

学位级别：硕士

功率放大器处于无线收发系统中发送端的最后一级,用以增强发射信号强度,是整个系统中一个关键性的环节。功率放大器本身是系统主要的耗能单元,甚至能达到系统功耗的60%以上,所以提高功率放大器的效率,降低其损耗,能够提高整个系统的运... 详细信息

功率放大器处于无线收发系统中发送端的最后一级,用以增强发射信号强度,是整个系统中一个关键性的环节。功率放大器本身是系统主要的耗能单元,甚至能达到系统功耗的60%以上,所以提高功率放大器的效率,降低其损耗,能够提高整个系统的运行效率,延长系统的工作时间。因此,设计高效率功率放大器成为目前功放设计的主要趋势。本文基于0.18μm SiGe BiCMOS工艺设计了一个两级e类功率放大器,整体电路由驱动放大级、输出放大级以及负载网络组成。为了获得一个大摆幅的信号来控制开关功放管的导通与关断,驱动级采用伪e类驱动器;为了承受e类功放漏极的高电压,放大级采用了共源共栅结构：为了获得良好的输入驻波比,在输入端进行了阻抗匹配设计。论文中给出了电路各个模块的设计方法和仿真结果。本功率放大器的工作电源为3.3V,工作频段为1610MHz～1626MHz后仿真结果(TT工艺角,27。C)表明功率放大器在1.6GHz处的最大输出功率为26.6dBm,功率附加效率为46.1%,功率增益为20.6dB,输入驻波为1.364。本文设计的功率放大器功能正确,性能良好,满足了设计指标的要求。

关键词：无线收发系统 e类功率放大器共源共栅

基于SiGe BiCMOS工艺的RF e类功率放大器技术研究

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基于SiGe BiCMOS工艺的RF E类功率放大器技术研究

作者：苏黎电子科技大学

学位级别：硕士

近十年来,随着无线通信技术的不断发展,人们已基本实现随处通信的梦想,相应的,人们对高性能大容量无线通信系统的需求也越来越大。在这种形势下,射频与通信集成电路的研究已趋于白热化。功率放大器(PA)作为无线通信射频发射机中不可缺... 详细信息

近十年来,随着无线通信技术的不断发展,人们已基本实现随处通信的梦想,相应的,人们对高性能大容量无线通信系统的需求也越来越大。在这种形势下,射频与通信集成电路的研究已趋于白热化。功率放大器(PA)作为无线通信射频发射机中不可缺少的关键电路,对于提高手机的功率效率、降低电源损耗、减小体积重量、延长通话时间有着举足轻重的作用,而适用于恒包络信号放大的e类功率放大器,更是在现代通信系统中占有十分重要的地位。在整篇论文中阐述了功率放大器的理论和设计方法,并完成了工作在高频下的e类功放的设计。首先介绍了功率放大器的各项性能指标,并分类介绍了各种功率放大器的工作原理以及各自的优缺点,对线性功率放大器和非线性功率放大器进行了仔细的对比。随后,介绍了CMOS工艺中的无源器件:电阻、电容和电感的具体实现方式,随后仔细分析了电容和电感的模型并提出了几种提高电感Q值的方法。在此基础上,提出了用状态空间模型来分析e类功率放大器,在阐述了e类功率放大器的状态空间模型和具体的设计方法后,用TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS工艺验证了设计方法的可行性和准确性。紧接着对传统e类功率放大器进行了优化,提出了全差分和交叉耦合结构的e类功率放大器,采用TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS工艺对电路进行仿真,在1.8GHz的中心频率下,仿真结果表明优化后的结构能够较大程度的提高e类功率放大器的性能。最后完成了该电路的版图设计。

关键词： e类功率放大器状态空间模型差分结构交叉耦合结构