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新型宽带高效率j类功率放大器的研究

新型宽带高效率J类功率放大器的研究

作者：王振阳中国科学技术大学

学位级别：硕士

功率放大器(功放)是无线通信系统中的关键模块之一。随着无线通信技术迅速发展,不断提出的新标准和新制式对系统中所用功放提出了宽带、高效率、大功率等的要求。其中,提高功放的效率、拓展功放的带宽一直是功放研究的两个重要方向。在... 详细信息

功率放大器(功放)是无线通信系统中的关键模块之一。随着无线通信技术迅速发展,不断提出的新标准和新制式对系统中所用功放提出了宽带、高效率、大功率等的要求。其中,提高功放的效率、拓展功放的带宽一直是功放研究的两个重要方向。在提倡节能环保的今天,提高通信系统中耗能最多的功放的效率对于降低运营成本、降低能耗、延长供电电池寿命等意义重大。拓展功放的工作带宽,使功放能支持多标准多频带的通信系统,在多标准多频带通信系统飞速发展的今天显得愈发重要。经典的功放设计方法很难同时满足宽带、高效、大功率的要求。而新型的j类功率放大器则在功率、效率、线性度和带宽之间做了很好的综合考虑,能在保持高效率的同时取得良好的带宽特性。本文以宽带高效率j类功放为主线,详细讨论了经典的功放设计方法、j类功放理论以及j类功放的实际实现等问题。首先详细介绍了宽带高效率功放设计中经常用到的经典设计理念和方法。重点介绍了负载牵引技术和谐波控制类功放的原理,为研究j类功放的理论和实现做好铺垫。第三章对j类功放理论做了系统地阐述和总结。首先介绍了j类功放导出的条件和过程,并对具体的基波阻抗和二次谐波阻抗条件做了具体的推导和讨论。然后着重介绍了j类功放理论中最重要,也是最有价值的连续型工作模式和设计空间的概念。j类功放理论和连续型工作模式的概念为宽带高效率功放设计提供了一个有益的参考和新的思路。第四章紧承第三章的j类功放理论,针对j类功放的具体实现问题展开了研究。首先对晶体管寄生参数对j类功放设计可能带来的影响做了评估。接着在综合比较j类功放一些常见的实现结构的优缺点的基础上,围绕着宽带高效率j类功放的实现,提出多种高效宽带功放的设计方法和结构。主要的工作具体如下：1.提出了一种将基波匹配、谐波控制和直流偏置电路综合在一个简洁紧凑的结构中的j类功放设计方法。用该方法设计出的输出匹配网络阻抗变化轨迹,基本呼应了j类功放设计空间中最优阻抗的变化趋势,因此能在较宽的带宽内保持较好的性能。2.将传统宽带功放设计方法与j类功放设计方法相结合提出了一种基于负载牵引技术并且具有谐波抑制功能的高效率宽带功放设计方法。该方法不需要对晶体管寄生参数进行建模,只需进行负载牵引得出不同频率处的一系列满足性能要求的最优阻抗值,然后分析这些阻抗值的分布区域,设计满足阻抗分布区域的匹配网络。紧接着为实现该设计方法,提出了一种设计结构,该结构拓扑结构简单,易于控制且拥有很好的谐波抑制能力和基波匹配功能;3.利用两段串联微带线将j类功放的工作频率拓展至两个频段,进一步拓展了j类功放带宽,并对设计中不可避免会遇到的谐波阻抗和基波阻抗匹配冲突问题作了一些分析。对上述三种功放均进行了设计实现和实验测试验证。

关键词：功率放大器高效率宽带 j类功率放大器谐波控制设计空间双频j类功放

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一种宽带高效率j类功率放大器的设计

中国电子科学研究院学报 2012年第6期7卷 603-606页

作者：侯宪允游飞丁炫童仁彬何松柏电子科技大学电子工程学院成都610041

针对未来无线通信系统中的宽带和效率问题,设计了一种宽带高效率的j类功率放大器。为了减少谐波阻抗对效率的影响,该j类功率放大器在输出匹配网络中采用了谐波控制单元,并通过对晶体管模型的简化,综合出一种较好的匹配网络。另外,在输... 详细信息

针对未来无线通信系统中的宽带和效率问题,设计了一种宽带高效率的j类功率放大器。为了减少谐波阻抗对效率的影响,该j类功率放大器在输出匹配网络中采用了谐波控制单元,并通过对晶体管模型的简化,综合出一种较好的匹配网络。另外,在输入匹配网络中,使用了具有宽带效应的混合集中和分布元件的π形匹配网络。设计中使用10 W GaN HEMT晶体管对理论进行验证,测试结果显示,在2.2 GHz～2.8 GHz之间的频带内,j类功率放大器的漏极效率大于61%,增益大于10.4 dB。该j类功率放大器在下一代无线通信系统中具有良好的应用前景。

关键词：宽带 π形匹配网络 j类功率放大器高效率

S波段宽带高效率j类功率放大器的分析与设计

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S波段宽带高效率J类功率放大器的分析与设计

微波高效率宽带j/j-1类功率放大器研究与设计

2013年全国微波毫米波会议

作者：侯宪允何松柏丁炫童仁彬游飞电子科技大学电子工程学院

针对未来无线通信系统,设计并仿真了一种宽带高效率的j类功率放大器。我们考虑到二次谐波和三次谐波对效率的影响,在其输出匹配网络中加入了谐波控制单元,并通过对晶体管模型的简化,综合出一种较好的匹配网络。同时,在输入匹配网络中,... 详细信息

针对未来无线通信系统,设计并仿真了一种宽带高效率的j类功率放大器。我们考虑到二次谐波和三次谐波对效率的影响,在其输出匹配网络中加入了谐波控制单元,并通过对晶体管模型的简化,综合出一种较好的匹配网络。同时,在输入匹配网络中,采用具有宽带效应的混合集中和分布元件的形匹配网络,以此扩展带宽。仿真结果显示,在3.18GHz.63GHz之间的频带内,该功率放大器的PAE仿真结果均在70%以上,增益在12dB左右。该j类功率放大器在下一代无线通信系统中具有良好的应用前景。

关键词：宽带高效率 j类功率放大器 π形匹配网络

来源： cnki会议评论

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微波高效率宽带J/J-1类功率放大器研究与设计

作者：王绪哲杭州电子科技大学

学位级别：硕士

日新月异的无线通讯技术,促使用户对无线数据传输的速度和质量有了更高的要求,故需要具有高性能的微波收发前端作为通信的硬件支撑。作为微波前端的关键模块之一,功率放大器在近年来得到了广泛的研究。尽管如此,提升功率放大器的带宽和... 详细信息

日新月异的无线通讯技术,促使用户对无线数据传输的速度和质量有了更高的要求,故需要具有高性能的微波收发前端作为通信的硬件支撑。作为微波前端的关键模块之一,功率放大器在近年来得到了广泛的研究。尽管如此,提升功率放大器的带宽和效率性能依然是当前的研究热点和亟待解决的问题。因此,本文以功放的带宽和效率为研究的切入点,研究并设计了两款j类功率放大器和两款逆j类功率放大器,本文的主要工作与贡献如下:1、针对提高微波功率放大器带宽和效率性能,提出了一种用于j类工作状态的输出匹配网络,与结合晶体管漏源电容设计j类功率放大器的输出匹配网络的传统方式相比,更易于满足j类功率放大器谐波阻抗的控制要求,设计灵活度更高。采用该匹配网络,基于Ga As工艺设计了一款三级j类功率放大器,该功放的功率附加效率为58.39%,工作频率范围为28.50～32.00 GHz。通过仿真验证,实现了微波功率放大器高效率宽带的性能。2、以提高微波功率放大器效率为设计目标,提出了一种逆j类工作状态的输出匹配网络,改善了效率和带宽性能。采用该匹配网络,基于Ga As工艺设计了一款三级逆j类功率放大器,该功放的功率附加效率为52.44%,工作频率范围为38.50～42.00 GHz。通过仿真验证,实现了更高频率下功率放大器的宽带高效率性能。以提高电路增益为目标,设计了一款四级逆j类功率放大器,通过仿真验证,使电路整体增益提高了6.36 d B,降低了输入功率。3、以改善高功率功放的效率为目标,本文提出了一种应用于板级j类功放的输出匹配网络。基于该输出匹配网络,设计了一款中心频率为2.00 GHz的板级j类功率放大器。选用CREE公司的CGH40010F Ga N晶体管,基于Rogers 5880板材加工。通过测试验证,工作范围覆盖1.65～2.27 GHz,饱和输出功率为40.40 d Bm,增益为7.4 d B,功率附加效率为69.84%,有效地改善了板级功放的效率。

关键词：微波高效率宽带 j类功率放大器逆j类功率放大器

面向物联网应用的硅基CMOS功率放大器研究与设计

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面向物联网应用的硅基CMOS功率放大器研究与设计

作者：张娉北京邮电大学

学位级别：硕士

功率放大器作为雷达和通信系统中射频前端系统的重要组成部分,其性能显著影响着发射机的整机功耗和信号传输距离。本文主要针对物联网应用中功率放大器的带宽扩展、增益提升、效率增强技术进行研究,并基于硅基CMOS工艺设计了三款不同性... 详细信息

功率放大器作为雷达和通信系统中射频前端系统的重要组成部分,其性能显著影响着发射机的整机功耗和信号传输距离。本文主要针对物联网应用中功率放大器的带宽扩展、增益提升、效率增强技术进行研究,并基于硅基CMOS工艺设计了三款不同性能的功率放大器,论文的主要工作如下:1.提出了一种小型化j类功率放大器宽带匹配网络结构,设计并实现了一款X波段j类功率放大器来进行验证,相比于已有的j类功率放大器面积缩小了三分之二。测试结果表明,该功率放大器的3dB带宽范围为6.2～11.8GHz,且在X波段范围内,功放的增益波动始终低于1.5 dB。在3 dB带宽范围内,功放的峰值功率附加效率可达到20.3%,输出1dB压缩点为10.5 dBm。2.提出了一种新型电容补偿结构,利用晶体管和源退化电阻代替传统中和电容结构来提升增益和稳定性,设计并实现了一款差分功率放大器来进行验证,相比于传统中和电容结构稳定性提升了约40%。测试结果表明,在小信号输入时,功率放大器增益可达到23.0 dB,该功率放大器采用1.2V电压供电,输出饱和功率为12.0 dBm,峰值功率附加效率为21.0%。3.设计了一款高回退效率Doherty功率放大器,基于传输线的π型等效模型实现了 Doherty功率放大器的后匹配网络设计。仿真结果显示,在10.5 GHz频率处,功率放大器的输出功率可达15.7 dBm,峰值功率附加效率为33.3%,在6dB回退点效率处达到15%,相比于AB类功率放大器提升了 7%。

关键词：硅基CMOS j类功率放大器电容补偿 Doherty 功率放大器

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5G频段j类功放的理论研究及应用

5G频段J类功放的理论研究及应用

作者：雷儒雅电子科技大学

学位级别：硕士

无线移动通信系统不断发展,朝着多种工作模式、高速率的方向演进。功率放大器是通信系统射频前端的重要部件,其宽带性能和高效率性能是实现高速率通信和绿色运营的基础。j类功放是近些年来出现的一种新型功放,其谐波控制原理和连续工作... 详细信息

无线移动通信系统不断发展,朝着多种工作模式、高速率的方向演进。功率放大器是通信系统射频前端的重要部件,其宽带性能和高效率性能是实现高速率通信和绿色运营的基础。j类功放是近些年来出现的一种新型功放,其谐波控制原理和连续工作模式理念,给功放设计带来了新的思路。总结当前j类功放的研究,得到如下背景要点:(1)大多研究集中在通过改进j类功放的匹配网络结构实现效率的提升,而对j类功放的高效率与波形关系的研究较少;(2)连续工作模式可以一定程度上改善功放带宽的局限性,但这种改善提升带宽和效率的效果有限;(3)j类功放在5G系统中的应用研究还不够充分。本论文的工作,就是针对上述背景而展开。本论文首先研究了j类功放的谐波控制理论,探究功放高效率波形的影响因素;其次,基于连续空间理论,研究了通过外部扩展电容实现变换的阻抗空间,提升功放平均效率的技术途径;第三,围绕j类功放理论及其在5G系统的应用,针对5G通信系统中高峰均比信号使功放的平均效率下降问题,研究了动态匹配的高效率j类功放方案,完成了一款基于动态匹配网络高效率j类功放的设计与物理验证。论文具体工作如下:1.系统性总结了j类功放的主要技术指标和基本工作理念。结合波形分析了j类功放的谐波控制原理,从波形控制的角度阐述了j类功放实现高效率输出的原因。分析了j类功放的连续工作模式理念,阐明j类功放具有良好带宽特性的原因。2.对j类功放高效率波形影响因素进行分析和研究,从器件选择、输入功率取值、匹配网络差异三个方面进行波形对比研究。重点研究漏极输出波形的电压、电流峰值,直流分量占比,对限制j类功放效率的原因进行分析,基于波形分析的结果,设计了一款工作在3.3.2GHz的宽带高效率j类功放。3.对j类功放的阻抗空间进行分析与研究。分析了器件的输出电容C对j类功放阻抗空间的影响,研究了利用输出电容构建动态阻抗空间的可行性。分析了最优阻抗和效率的关系,探究用外围可调谐器件构建动态阻抗匹配网络,拓展j类功放的阻抗匹配区域以实现效率提升的可行性。4.基于波形分析结果和动态匹配网络研究工作,围绕j类功放在5G系统中的应用问题,利用变容二极管设计动态匹配网络,完成一款匹配网络动态变化的宽带高效率j类功放的设计和制作,j类功放可实现43.1%0.6%的功率附加效率,最大输出功率39.8dBm,功率回退4dB时的最大功率附加效率为44.7%。本文的研究工作,对j类功放的理论研究和工程应用有一定参考价值。

关键词： j类功率放大器波形高效率 5G 动态匹配网络

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j类功放及其在多模移动基站中的应用研究

J类功放及其在多模移动基站中的应用研究

作者：吴普超电子科技大学

学位级别：硕士

当前无线通信系统对高效、宽带功放的迫切需求使得宽带高效率功放成为研究热点。j类功放是2006年提出的一种新的功放设计理念,将功放由单一工作模式改进为连续的工作模式,实现了良好的带宽特性,较好解决了谐波控制类功放带宽与效率的矛... 详细信息

当前无线通信系统对高效、宽带功放的迫切需求使得宽带高效率功放成为研究热点。j类功放是2006年提出的一种新的功放设计理念,将功放由单一工作模式改进为连续的工作模式,实现了良好的带宽特性,较好解决了谐波控制类功放带宽与效率的矛盾,但其效率仍有一定的改进空间;此外,目前j类功放的匹配网络设计方法繁琐,不便于工程应用。针对此情况,本论文对j类功放的设计方法进行了研究。本论文对j类功放的研究,不是采用仅考虑功放器件的线性电容这样的传统设计方法,而是考虑了输出电容的非线性特性,即通过研究器件非线性电容的影响下,基波和二次谐波阻抗的变化规律,提出同时实现基波匹配与二次谐波控制的设计方法,改进了功放的输出谐波控制网络和基波匹配电路,简化了设计过程,并改善了j类放大器效率。论文的具体工作内容如下:1.系统总结了j类功率放大器的基本理论。结合漏极电压电流波形分析了j类的谐波控制原理,此外通过j类的连续型工作模式和设计空间的概念阐明了j类具有良好带宽特性的原因;2.本文对晶体管输出电容的非线性特性进行了研究,重点研究了非线性输出电容对j类功放的基波和二次谐波阻抗的影响,得出了阻抗的变化规律,并将其用于j类功放的改进设计中;3.采用一种新型匹配网络拓扑改进了j类功放匹配网络的设计。该匹配网络可综合晶体管的等效寄生参数模型,同时实现基波匹配和谐波控制。仿真结果表明,该匹配网络能很好地实现j类功放的基波和二次谐波阻抗环境。4.实验验证了本文提出基于非线性输出电容的改进设计方法的可行性。实测结果表明,实测结果表明,基于改进设计方法的j类功放性能实现了较明显改善。本文详细阐述了j类功放的原理和设计方法,为学者提供参考和借鉴。

关键词：宽带高效率 j类功率放大器非线性输出电容Cout 新型匹配网络