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射频前端关键电路与多端口网络参数研究

马明明  
【摘要】:指数增长的海量数据传输和交换迫切地需要提高信道容量和能谱效率,拓宽信道带宽、拓展调制深度和维度、提高载波频率成为主要的解决方案。宽带高阶调制信号使得功率放大器长期工作在低效率回退区,利用多路功率放大器功率合成的先进功放架构(Doherty架构,异相架构,数字功率放大器)成为提高回退效率的主要解决方案。但是,先进功率放大器中多端口功率合成的幅度相位差异产生的负载调制分析理论仍不完善。本文通过多端口网络的理论研究,为射频前端关键电路中解决负载调制问题奠定了基础。提出了多端口ABCD参数与S参数的广义转换理论,解决了多端口网络中电磁场波参数和电路参数电压电流之间的映射关系,利用板级无源器件进行了该方法的验证,提出了包含四端口平行耦合线的自耦合谐振器和双通带宽阻带滤波器;在此基础上,进一步研究了广义多端口负载调制理论,提出了多端口网络在有源激励下任意幅度相位差异产生负载调制的理论分析方法,对片上三端口、十端口功率合成器的负载调制进行了分析,分别利用非对称单片集成Doherty功率放大器以及效率增强型硅基数字射频功率放大器进行了验证。本文的主要研究内容及创新点如下:1.提出了多端口网络ABCD参数和S参数的广义转换理论,解决了基于四端口平行耦合线自耦合谐振的宽阻带双通带滤波器的复杂耦合路径分析问题。利用所提出自耦合谐振器的频率比可控和宽阻带抑制特性,研制了三款宽阻带双通带滤波器。其中,第I款滤波器第二个通带的上阻带,在3f_2频率以内获得了优于26.4d B的阻带抑制。在此基础上,第Ⅱ款滤波器通过引入缺陷地结构,在3f_2频率以内的阻带抑制提升到30 d B。而且,第二个通带中心频率的4次和5次谐波抑制深度分别达到了40.0 d B和61.4 d B。为了进一步提高第二个通带的频率选择性,第Ⅲ款滤波器引入非谐振节点和自耦合谐振器的交叉耦合路径,在3.2 GHz处产生了新的传输零点。同时,在4.19 GHz-22.26 GHz频段范围内,形成了较好的阻带抑制。理论分析结果,电磁仿真结果和测试结果吻合得较好,进一步证明了提出的多端口分析理论的可靠性。2.提出了广义多端口负载调制理论,分析了Doherty功率放大器载波、峰值功放幅度相位差异产生的负载调制,解决了大回退Doherty的优化设计问题。提出了目标负载阻抗识别和追踪技术,识别了cascode晶体管的最优阻抗空间,形成了自动化设计宽带Doherty的方法。另一方面,利用提出的多端口网络广义负载调制理论,展示了回退区间内载波、峰值功放的负载调制轨迹,并用于目标负载阻抗的自动追踪。利用I型低通功率分配器和Ⅱ型高通功率分配器,在5G NR FR1 n78频段验证了两款非对称单片全集成Ga N Doherty功率放大器。其中,I型低通MMIC Doherty功率放大器在3.4-4.0 GHz频率范围内,饱和功率为34.5-36.7 d Bm,峰值漏极效率为45.0%-51.2%,增益为8.4-10.8 d B,9 d B回退漏极效率为26.7%-32.1%。Ⅱ型高通MMIC Doherty功率放大器在3.4-4.0 GHz频率范围内,饱和功率为34.5-35.5 d Bm,峰值漏极效率为39.8%-47.2%,增益为9.3-10.9 d B,9 d B回退漏极效率为29.2%-33.7%。3.提出了2×10比特16相位G类双Doherty开关电容功率放大器架构,基于多端口广义负载调制理论,解决了高阶宽带调制信号激励下的随机负载调制分析问题,提高了数字功率放大器平均效率。首先,分析了多相位G类开关电容功率放大器及其Doherty架构的电容功率分配网络的动态损耗。在此基础上,构建了多相位G类双Doherty开关电容功率放大器架构的自适应矢量分解、量化和编码算法及电路;分析了片上十端口功率合成网络的随机负载调制过程,实现了混合多端口功率合成的配置方法。基于65 nm互补金属氧化物半导体工艺验证了所提出的多相位G类双Doherty开关电容功率放大器架构,其峰值漏极效率、峰值系统效率和峰值输出功率分别为58.33%、44.87%和30.829 d Bm,在3.0 GHz-4.0 GHz频率范围内,峰值漏极效率超过43.18%,峰值系统效率超过36.34%,输出功率超过28.17d Bm。在100 MHz 64-QAM动态信号的测试下,在3.5 GHz频点,峰值输出功率和效率分别为28.31 d Bm和34.95%,平均功率和系统效率分别为22.76 d Bm和19.89%。系统仿真结果进一步证明了提出的理论分析和电路设计方法的正确性。


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