随着无线通信标准的多样化发展,射频发射机中所有组件都需要同时处理多种模式和多种频带的通信信号。在射频发射机中负责将小功率信号转化为合适的大功率信号的功率放大器,其工作特性与信号频率密切相关,因此也需要多模多带化。根据信号的分布特点,本文提出两类功率放大器的技术方案来实现对多种模式和多种频带的信号进行放大:当需要处理的信号分布在一个倍频程内,采用宽带高效率功率放大器技术;当需要处理的信号分布超过一个倍频程,采用多带高效率功率放大器技术。本文首先分析了次定逆E类功率放大器和次定E类功率放大器两类高效率功率放大器,然后分别对宽带功率放大器和多带功率放大器进行了研究。本文的主要内容及创新点包含以下四个方面。1.次定(Sub-nominal)逆E类功率放大器性能分析。逆E类功率放大器的负载电阻在实际工作会发生一定的变化。当它的负载电阻变化时,逆E类功率放大器仅满足零电流切换,而不再满足零电流导数切换。为了和同时满足零电流切换和零电流导数切换的准定逆E类功率放大器相区别,将只满足零电流切换的逆E类功率放大器命名为次定逆E类功率放大器。本文分析了次定条件逆E类功率放大器的性能表现,结果显示次定条件逆E类功率放大器具有100%的理论漏极效率。并且由于零电流导数切换条件的取消,次定条件逆E类功率放大器新增一个设计参数,提高了次定条件逆E类功率放大器设计自由度。考虑到信号占空比对次定条件逆E类功率放大器性能也有一定的影响,本文接着分析了任意占空比信号驱动下的次定逆E类功率放大器的性能。分析表明次定逆E类功率放大器在任意占空比和任意次定条件下的理论漏极效率皆为100%。为了验证任意占空比信号驱动的次定逆E类功率放大器的性能,在稳懋半导体0.1m GaAs p-HEMT基底上设计了一个次定逆E类功率放大器,仿真结果和理论结果高度一致,验证了所提出理论的正确性。2.次定连续E类功率放大器设计。本文通过分析发现,漏极电流在开关切换时刻的时延对次定E类功率放大器的效率有较大的影响,为了降低漏极电流在开关切换时刻对次定E类功率放大器效率的影响,本文提出了工作在次定条件下的连续E类功率放大器。次定连续E类功率放大器意味着E类功率放大器仅满足零电压切换,它通过对基波和二次谐波阻抗的调整,不仅可以表现出100%的理论漏极效率;还可以表现出宽带的特性。相比传统的基于电抗补偿技术的E类宽带功率放大器,次定条件连续E类功率放大器带宽更宽,设计自由度更多,设计过程更加简单。3.宽带高效率功率放大器。当信号带宽分布在一个倍频程内,宽带高效率功率放大器是一个较优的解决方案。本文首先采用电抗补偿技术,对次定逆E类功率放大器的带宽进行了拓宽。考虑到宽带次定逆E类功率放大器常用于集成电路,本文提出两类面向基站的宽带高效率功率放大器方案:扩展的连续F类功率放大器和基于损耗最小的切比雪夫宽带功率放大器。通过对传统的连续F类功率放大器的电流电压波形分析,发现它只能在一个倍频程内获得高效率,因此本文提出一种改进方案,极大地扩宽了传统连续F类功率放大器的带宽。实验表明改进的连续F类功率放大器能在0.4-2.3 GHz范围内表现出较高的效率和合理的增益。另外,传统的基于损耗最小的切比雪夫匹配理论的带宽匹配技术由于采用了诺顿变换器,常常出现无解的局面。本文采用简化实频技术对该方法进行了改进。改进后的方法避免了解空间狭小这一缺点,扩大了该方法的使用范围。利用该方法设计的宽带高效率功率放大器的增益波动在1 dB内。4.双带和三带功率放大器。当信号带宽分布超过一个倍频程,多带功率放大器是一个更好的解决方案。为了实现级联的功率放大器级间匹配,首先提出了一个基于无损微带线的Π型双带阻抗变换器。它能够在任意两个频点,将两个任意的复数源阻抗变换到另外两个任意的复数负载阻抗。传统的同类双带阻抗变换器需要求解一元四次方程,并需要手工验证解的正确性。而本文所提出的双带阻抗变换器设计简单,适合CAD自动设计。本文其次提出了一种基于传输功率增益的多带阻抗匹配网络优化法,并通过改进的粒子群优化算法求解。在此基础上,分别设计了基于基波和二次谐波阻抗控制的双带功率放大器和基于非零电压导数切换的三带E类功率放大器。双带功率放大器采用谐波控制的方法来实现高效率,并通过理论分析证明了该类谐波控制方法对功率放大器效率的影响。三带功率放大器是采用第二章所提出的次定连续E类功率放大的设计思路,通过控制每个频带的基波和二次谐波实现高效率。实验表明所设计的双带和三带功率放大器都能在所设定的频点上表现出高效率。