双频带高效射频功率放大器的研究与设计

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射频功率放大器作为现代移动通信系统中的核心部件和最主要的耗能单元,其效率水平对整个射频前端的功耗、散热和电路尺寸等都有着重要的影响。近年来,人们提出了多种用于提升射频功放效率的技术,如工作在开关模式的E类和采用谐波调谐模式的F类/逆F类等。然而,晶体管的高频寄生效应会对功放匹配最佳阻抗产生严重干扰,进而影响射频功放的效率性能。此外,为了适应无线通信技术往多模式多频带方向的发展需求,越来越多的研究人员把精力投入到双频带高效功放的研究当中。但功放工作频带的增加,也给双频带阻抗匹配电路的设计带来了一定的挑战。因此,论文针对以上两个关注度较高的问题,从高效射频功放的研究出发,再以此为基础,进一步探究了双频带射频功放的效率提升技术。论文主要内容包含以下两个方面:
  1.在高效功率放大器方面:为解决E类功放最大工作频率(fmax)以及F类/逆F类功放多谐波阻抗匹配精度受限于晶体管寄生参数的问题,论文提出了分别应用于E类开关功放和F类/逆F类谐波调谐功放的新型输出匹配电路。这两种电路不仅在基波和谐波下精确补偿了晶体管寄生参数,而且降低了结构复杂度和设计难度。根据提出的方法实现的E类功放在2.6GHz处的最大功率附加效率(PAE)为77%,而实现的F类和逆F类功放在2.4GHz处的最大PAE分别为75.5%和77.6%,验证了方法的可行性。
  2.在双频带高效功率放大器方面:基于以上研究,针对传统的双频带E类功放补偿晶体管过剩输出电容时存在的输出匹配电路结构复杂的问题,论文提出了一种新型的双频带E类功放设计方法。该方法在考虑晶体管寄生效应的情况下,补偿了两个工作频点处的晶体管过剩输出电容,而且无需单独设计谐波补偿电路。因此,双频带E类功放的工作频率高于fmax时仍满足双频带E类最佳负载阻抗条件。基于此方法实现的双频带E类功放在1.9GHz和2.5GHz频率处的最大PAE分别达到了74.1%和72.6%,双频带E类功放的效率性能得到提升。
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