高效率双频连续F类功率放大器的设计

为满足多标准和多频段无线通信的需求，针对特定频段如何提高效率问题，基于连续F类功放的谐波控制理论，提出了一种高达三次谐波控制的双频功放设计方法，实现了两个频段的高效率性能。首先，分析了电流源平面的各次谐波阻抗，基于连续F类阻抗设计空间的灵活性，设计的双频谐波控制网络将二次谐波控制在短路点附近，同时将三次谐波控制在开路点附近，可提高任意两个频段功放的效率。随后，针对传统耦合器基频匹配网络在多频匹配方面的不足，提出了改进的双频阻抗匹配网络，简化了匹配方法并实现了不同频点的最佳基波阻抗同时匹配到标准的50Ω。最后，使用Cree公司的CGH40010F GaN HEMT设计了一款工作在1.8和2.6 GHz的双频连续F类功率放大器，并进行测试，结果显示在1.8和2.6 GHz的饱和输出功率分别为40.6 dBm和39.5 dBm,最大功率附加效率分别为75.4%和74%,最大漏级效率均大于75%。测试结果表明，所提出的双频谐波控制网络设计方法在提高功放效率方面具有显著优势。     

基于F类和逆F类的双模式双频带功率放大器

应用氮化镓高电子迁移率晶体管设计并实现了一种基于F类和逆F类工作模式的双频段功率放大器。首先,分别讨论了F类和逆F类工作模式在理想晶体管和实际晶体管中的差异,结合动态负载线和电压电流波形,对实际晶体管功率和效率下降的原因作了深入分析。在此基础上,提出一种在双频段分别实现F类和逆F类工作模式的输出匹配电路。基于该匹配电路,仿真设计了一款双模式、双频带功率放大器,并进行了实物加工和性能测试。实测结果表明,在L和S频段200 MHz带宽范围内,功放输出功率分别大于41.3 dBm和41.2 dBm,漏极效率分别高于72%和69%,其峰值功率和效率在L频段为41.7 dBm和75.5%,在S频段为41.3 dBm和69.5%。实测和仿真结果吻合度高,证明了提出的设计方法的正确性和有效性。     

基于EFJ模式的宽带高效率Doherty功率放大器设计

将EFJ模式功率放大器应用于Doherty功率放大器的载波功率放大器,利用EFJ类功率放大器的阻抗特性改善了Doherty功率放大器的带宽。此外,还引入后谐波控制网络来提高Doherty功率放大器的效率。功放的输入匹配电路采用阶跃式阻抗匹配来进一步拓展工作带宽。使用CGH40010F GaN 晶体管设计并加工完成了一款宽带高效率Doherty功率放大器。测试结果显示,在3.2~3.7GHz 频段内,饱和输出功率达到43dBm,饱和漏极效率60%~72.5%,增益大于10dB。功率回退6dB时,漏极效率40%~48.5%。     

基于GaN HEMT的高效率Doherty功率放大器设计

通过分析传统Doherty功放的负载调制网络存在的带宽限制和晶体管输出电容对于效率的影响问题。利用改善阻抗变换比和补偿载波功放晶体管的输出电容的方法提出一种新型负载调制网络,使用GaN HEMT晶体管并基于此网络设计完成了一款高效率的Doherty功率放大器。该Doherty功率放大器采用不等分结构设计。此外,采用阶跃式阻抗匹配方法设计主辅功放的输入输出匹配网络来拓展Doherty功放的工作带宽。测试结果显示,在2.8~3.2 GHz频段内,饱和输出功率达到45 dBm,饱和漏极效率65%~73.18%。功率回退6 dB时,漏极效率在45%~50%之间,功率回退9 dB时,漏极效率在38.94%~44.68%之间。     

基于改进简化实频技术的超宽带功率放大器设计

该文提出了一种基于改进简化实频算法的跨多倍频超宽带功率放大器。结合负载牵引技术,分析晶体管负载端的最优阻抗值变化。通过改进简化实频法中的优化目标和误差函数,对频段内选取多个频点的最优阻抗进行分析,设计并优化出了功率放大器的输出匹配电路,提高了功放的工作带宽。测试结果显示,在 0.5～2.7 GHz频段内,饱和输出功率达到 42.5 dBm,饱和漏极效率为 64%～75%。     

基于特定相移匹配的连续类双频Doherty放大器

为了实现Doherty功率放大器在双频模式下的宽带高效工作,设计了一种基于特定相移匹配的连续类双频Doherty放大器。利用相移周期重复性原理,通过确定两个目标频段上所需要的特定相移,结合连续类放大器技术,对匹配网络进行设计,解决了传统双频Doherty放大器带宽受限的问题。设计和实现了一个2.2~2.7 GHz和3.1~3.4 GHz的双频Doherty放大器。测试结果表明,该功率放大器两个频段的饱和效率分别为64.1%~68%和60.1%~66.3%,6 dB回退效率分别达到了45.2%~52.1%和44.1%~48.5%,能满足未来移动通信系统多频段同时工作的需求。     

基于GaN HEMT的0.8～4.2GHz超宽带功率放大器的设计

阐述了基于GaN HEMT的超宽带功率放大器的设计与实现方法。采用低通L-C匹配网络消除虚部阻抗,并利用多节λ/4阻抗变换器实现宽带实阻抗到目标阻抗50Ω的匹配。测试结果表明,功放在32V漏电压、1ms周期、10%占空比及0.8~4.2 GHz频带内输出功率大于47dBm(50.1 W),最高输出功率为48.9dBm(77.6 W),带内饱和功率增益大于9dB,最大漏极效率为64%。实验测试结果与设计仿真结果符合良好,从而验证了设计方法的正确性。     

串联偏置迭堆式毫米波功率放大器的设计

设计了一种串联迭堆式偏置供电的毫米波功率放大器,其漏极供电电压高达+24V。该功率放大器共包含4个单芯片功率放大模块,每个模块承受+6V左右漏极电压。功率合成网络采用一分四的E面波导功分器,模块与功分网络间相互绝缘连接。该功率放大器最终实现的性能指标是:在直流偏置点(+24V,4.2A)条件下,功率放大器在频段26～30GHz内其连续波饱和输出功率大于42.1dBm,功率附加效率大于11.0%。提出了一种毫米波发射机功率输出部分新的构架形式,在模块级别对功率放大器串联馈电进行了首次尝试。     

基于GaN 的3. 4~ 3. 6 GHz 高增益Doherty 功率放大器

基于两级功率放大器架构,设计了一款平均输出功率为37 dBm(5 W)的高增益Doherty 功率放大器。 该器件通过增加前级驱动功率放大器提高Doherty 功率放大器的增益,采用反向Doherty 功率放大器架构,将λ/4 波 长传输线放置在辅助功放后端,相位补偿线放置在主功放前端,并使主功放输出匹配网络采用双阻抗匹配技术实现 阻抗变换,如此可扩宽功率放大器的工作带宽。连续波测试结果显示:3. 4~3. 6 GHz 工作频段内,饱和输出功率在 44. 5 dBm 以上,功率饱和工作点PAE 在43. 9%以上;在平均输出功率(37 dBm,5 W)工作点,回退量大于7. 5 dB,功 率附加效率PAE 为36. 8%以上,功率增益在31 dB 以上。     

0.8-2GHz超宽带大功率放大器设计与研究

采用宽禁带半导体功率管进行超宽带大功率放大器设计。在仿真优化的基础上,进行了设计投产。经过调试,最终测试结果表明,在工作频率范围0.8-2GHz范围内,恒定输入功率41dBm的条件下,饱和输出功率大于100W,增益起伏±0.4dB,饱和漏极效率大于60%。文中最后对调试之后的匹配电路进行了后仿真,验证了匹配电路的有效性,并为小型化处理做了准备。     

X波段双模功率MMIC设计

基于有源负载调制的多阻抗匹配技术，采用0.25μm GaN HEMT工艺，研制了一款工作在X波段双模功率放大器芯片，使功率放大器在峰值及回退10 dB两种输出功率模式下均具有较高的效率。采用对称双路三级放大拓扑设计，利用多阻抗匹配与电压切换方式实现双模工作。主功放设计兼顾高功率与低功率模式下的输出功率与效率；辅功放兼顾低功率模式下输出匹配网络呈现高阻状态与高功率模式下匹配网络实现宽带匹配两种状态。测试结果表明，在25℃环境温度、脉宽100μs、占空比10%脉冲测试下，8.5～13.0 GHz频率范围内，功率放大器的高功率模式饱和输出功率最高可达47.5 dBm，功率附加效率最高达到43%;10～12 GHz频率范围内，低功率模式输出功率可达37 dBm，功率附加效率最高达到27%。     

基于改进简化实频技术的超宽带功率放大器设计

该文提出了一种基于改进简化实频算法的跨多倍频超宽带功率放大器.结合负载牵引技术,分析晶体管负载端的最优阻抗值变化.通过改进简化实频法中的优化目标和误差函数,对频段内选取多个频点的最优阻抗进行分析,设计并优化出了功率放大器的输出匹配电路,提高了功放的工作带宽.测试结果显示,在0.5～2.7?GHz频段内,饱和输出功率达到42.5?dBm,饱和漏极效率为64％～75％.     

基于变压器匹配的5G通信手机功率放大器设计

基于AWSC 2 μm的HBT工艺,设计了一种用于5G通信N77频段(3.3～4.2 GHz)的功率放大器。采用变压器匹配的方式,显著提高了功率放大器的增益、输出功率和功率附加效率,解决了放大电路级间匹配较难的问题。仿真和测试结果表明,在N77工作频段内,该功率放大器的增益为36～38 dBm,输出功率1 dB压缩点为37 dBm,输出功率1 dB压缩点处的功率附加效率为49.3 %,输出功率28.5 dBm处的功率附加效率为16.5 %、相邻频道泄漏比为-38.2 dBc。     

基于GaN HEMT的155～172 GHz功率放大器设计

设计了一款G波段GaN HEMT功率放大器。放大器采用级联结构,在每级设计中均引入了并联反馈。放大器工作频段内的小信号增益大于25 dB,3 dB带宽为17 GHz。大信号测试结果显示,在155～172 GHz饱和输出功率为14～17 dBm;在165 GHz饱和输出功率密度为17 dBm,对应的功率密度为1.25 W/mm。该功率放大器直流损耗功率为1 060 mW,峰值功率附加效率为4.7%。     

基于低通滤波匹配网络的双频功率放大器设计

提出了一种基于低通滤波匹配网络的高效率并发双频功率放大器设计方法。将连续F 类与连续逆F 类功放模式相结合,在保证效率的前提下拓展了阻抗设计空间,同时在谐波范围内引入多个传输零点,完成低通滤 波匹配网络的设计,对谐波进行抑制。为验证设计方法的合理性,设计制造了一款工作于1. 6 GHz 与2. 4 GHz 且带 宽超过200 MHz 的并发高效率功率放大器,在两频带内具有超过66%的功率附加效率以及超过40 dBm 的输出功 率,其相邻信道泄漏比也优于-25 dBc。     

一种65 nm CMOS 60 GHz高增益功率放大器

设计了一种基于65 nm CMOS工艺的60 GHz功率放大器。采用共源共栅结构与电容中和共源级结构相结合的方式来提高功率放大器的增益,并采用两路差分结构来提高输出功率。采用片上变压器作为输入/输出匹配及级间匹配,以减小芯片的面积,从而降低成本。采用Cadence、ADS和Momentum等软件进行联合仿真。后仿真结果表明,在工作频段为60 GHz时,最大小信号增益为26 dB,最大功率附加效率为18.6%,饱和输出功率为15.2 dBm。该功率放大器具有高增益、高效率、低成本等优点。     

宽带射频功放晶体管非线性输出电容研究

分析了GaN(氮化镓)HEMT(高电子迁移率晶体管)非线性输出电容Cout与宽带功放效率的关系。通过建立非线性电路模型分析得出,利用Cout控制漏极端电压电流波形能减轻对谐波阻抗的精确要求,使高效率阻抗区域扩大化,从而使宽带功放匹配变为可能。选用GaN HEMT器件设计2~3 GHz频段射频功率放大器,实测结果为该放大器最高漏极效率(DE)为81.7%,功率附加效率(PAE)78.3%,功率为40.75 dBm。在1 GHz带宽内PAE也可达65%以上。实测结果验证了原理分析的可靠性,提出的方法不仅可用于宽带GaN功率放大器设计,对其他类型的微波功放设计同样有借鉴作用。     

基于变压器匹配的1.8～2.7 GHz宽带功率放大器

针对5G移动通信系统n1,n2,n40和n41频段，基于InGaP/GaAs异质结双极晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)工艺，设计了一款工作在1.8～2.7 GHz的宽带高增益功率放大器。该功放采用并联式负反馈的三级放大结构。为了拓展电路的工作带宽，一方面，第二、三级级间匹配采用片上变压器，并将单端信号转换为差分信号；另一方面，输出匹配网络采用片外变压器，实现阻抗变换和功率合成。实测结果表明，室温下所实现的宽带功率放大器在1.8～2.7 GHz全频段内小信号增益不小于32 dB,饱和输出功率大于31.9 dBm,饱和工作效率大于28%。输入4G-LTE 20 MHz的调制信号，当放大器的输出功率为22 dBm时，全工作频段邻近信道功率比(Adjacent Channel Power Ratio, ACPR)小于-39 dBc。1 dB压缩点输出功率在1.9,2.3和2.6 GHz三个工作频点实测均大于30.7 dBm。     

基于中和电容的60 GHz CMOS功率放大器设计

功率放大器（Power Amplifier, PA）是射频前端重要的模块,本文基于SMIC 55 nm RF CMOS 工艺,设计了一款60 GHz 两级差分功率放大器。针对毫米波频段下,硅基CMOS晶体管栅漏电容（Cgd）严重影响放大器的增益和稳定性的问题,采用交叉耦合电容中和技术抵消Cgd影响。通过优化级间匹配网络和有源器件参数,提高了功率放大器的输出功率,增益和效率。后仿结果显示,在1.2V的供电电压下,工作在60 GHz的功率放大器饱和输出功率为11.3 dBm,功率增益为16.2 dB,功率附加效率为17.0%,功耗为62 mW。芯片面积380×570 um2 。     

基于新型输出结构的宽带高效率功率放大器

提出一种具有新型匹配网络的宽带高效率功率放大器,以及利用开路扇形微带线构成的紧凑型输出匹配网络,并给出了阻抗推导过程。该输出匹配网络在一定带宽条件下能满足晶体管的高效率所对应的阻抗设计空间要求。为了进一步拓展带宽,采用阶跃式阻抗匹配方法设计输入匹配网络。通过理论分析与仿真,最后设计并制作了一款频段为1~3.1 GHz的宽带高效率J类功率放大器。测试结果表明,在该频段内漏极效率为61.4%~70.2%,输出功率为39.3~41.7 dBm,增益为9.3~11.7 dB。