高性能小型化射频功率放大器研究

【摘要】：功率放大器是现代无线通信、电子对抗、雷达等电子系统发射前端的关键组件之一，在发射系统中起着十分重要的作用。射频功放作为通信系统中最主要的耗能模块，其效率如何不仅影响到整个通信系统的能耗及稳定性，且对通信系统中供电电池的寿命以及整机散热等性能也有较大影响。国内外常见的高效率功率放大器主要有非线性功率放大器、包络跟踪功率放大器以及多级Doherty功率放大器等，但是这些电路较复杂，器件成本较高。当前，如何利用较简单的电路结构实现高效率功放越来越受到研究人员的关注。 通常功率放大器具有较强的非线性，而高效率功放尤其严重。针对高效率功放的非线性问题，通常采用线性化技术。射频预失真和前馈是提高线性度常用的方法，但这些方法需要外加控制电路和信号处理器件，这将导致电路复杂和成本的提高。如何在保证高效率前提下，较大幅度地提高功率放大器的线性度是较难解决的问题。 目前，射频功放模块已朝着小型化和集成化方向发展，但这将影响到系统的性能和成本，使其在实际运用中受到很大的限制。本文在保证高性能的基础上，围绕实现功放模块的小型化开展研究，使该结构功放在射频领域中具有更加广泛的应用价值。 本文主要针对射频功率放大器的一些关键技术问题进行研究，取得了一些有益的结论和成果，主要研究工作和创新点如下： 1.在提高Doherty功率放大器效率的研究方面，本文从Doherty功放内部结构出发，利用复合左右手材料(Composite Right/Left-Handed Transmission Lines,CRLH-TL)的特殊传输特性，提出了CRLH-TL非等分Doherty功放方案。该方案能够灵活地调整主功放和辅功放之间的相位差以及功率分配比，使得整个Doherty功率放大器的效率得到较大地提高，且减小了电路体积，降低了成本。 2.在提高Doherty功率放大器线性度研究方面，本文克服了传统功放需外加电路使得结构复杂的缺点，提出了电容加载对偶线作为Doherty功率放大器的λg/4阻抗转换线结构，从而抑制了主功放的二次和更高次谐波，同时还可调整其输出相位，较大幅度地提高了线性度，减小了电路的体积。 3.为了提高Doherty功率放大器线性度，本文提出了采用变容二极管加载复合左右手材料替代传统功放的offset线方案。通过使用该方案，可灵活调整相位，从而较大幅度地降低了辅助功率放大器在高功率输入条件下的相位失真，进而提高了整个Doherty放大器的线性度。 4.为了提高功率放大器检测通路功率检测的准确性和进一步减小整个功放模块的体积，本文利用将负折射率(Negative Refractive Index, NRI)传输线与传统微带线(Microstrip, MS)相结合的双层左右手材料的特殊结构，成功地研制了高方向性定向耦合器。该结构的耦合器在方向性和带宽等性能上均优于传统耦合器，且体积仅为传统耦合器的60%。 5.利用阶梯阻抗谐振器(Step-Impedance Resonator, SIR)结构的双频特性，提出了具有双频特性的功分器结构，该结构功分器不仅较大地提高了阻带的抑制度，而且还减小了该功分器的体积，同时降低了功率放大器模块的成本。