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射频功率放大器与微带电路设计

陈小群  
【摘要】: 随着无线通信技术的快速发展,移动通信用户数量的急剧增加以及频谱资源的日益紧张,对目前的通信系统提出了更高频谱利用率和更高数据速率的要求。功率放大器作为无线通信系统中的核心器件,其性能的优劣直接影响着整个系统的通信质量。目前常用的多载波调制信号的高峰均比特性要求放大器具有足够高的线性度,而终端与基站则要求放大器有足够高的效率。为了确保通信质量,功率放大器正面临着更高线性度和更高效率的挑战。为了解决这些问题,线性化技术和效率增强技术越来越多的被用于功率放大器设计。 本文首先从理论上分析了功率放大器的非线性特性,介绍了常用的非线性放大器模型;分析了目前主要的线性化技术和效率增强技术,并比较各种线性化技术和效率增强技术的优缺点和复杂度。本文重点研究了效率增强技术之一的Doherty放大器,Doherty放大器最显著的特点是有源负载牵引效应,通过设置两路放大器的不同类型的工作点,在无需采用附加电路的情况下就能实现不同输入信号电平产生高、低电平两种工作模式,使得Doherty放大器在较大范围的输出功率回退时,仍然可以维持较高的效率。 本文从理论上分析了Doherty的工作原理及不同工作模式的特点,总结了目前Doherty的主要发展方向。对于传统Doherty放大器,由于峰值放大器偏置的原因使其在最大输出工作状态时,无法达到最大电流而导致两个放大器的输出端无法实现最佳负载调制,造成整体效率下降。为此本文提出了一款倒置Doherty结构,改变了载波放大器和峰值放大器输出功率的结合点,优化了载波放大器在低电平工作模式的效率。利用Doherty的高效率的特效,采用三级级联的结构设计了一款高增益、高效率的适用于无线移动基站的Doherty放大器,并采用非均匀功率分配技术,使峰值放大器获得更多的输入功率,在高电平模式充分发挥峰值放大器的高效率特性,使得Doherty放大器在高电平模式的效率得到提高,并提升了Doherty放大器的峰值包络输出能力。利用实验比较了Doherty放大器与AB类放大器的线性度的差别,验证了理论分析。 其次,结合当前微带电路研究热点之一的缺陷地结构(DGS),分析了经典哑铃型DGS单元的特性,研究了DGS单元不同尺寸参数对频率响应的影响,总结了三种DGS单元的等效电路提取方法。提出了若干新型的DGS单元,利用这些单元的频率响应特性提取了它们的等效电路模型及元件参数,并利用这些单元设计了几款低通滤波器和多通带滤波器。利用DGS的带阻特性,结合宽带功率放大器设计了一款新颖的双模转换器,实验结果验证了设计的有效性和准确性。 最后对0度馈电结构的开口谐振环带通滤波器提出了的两种优化设计方法,分别利用DGS和Spurline结合缺陷微带结构设计两款具有插损低、带外抑制很宽的无线局域网(WLAN)带通滤波器。本文最后研究超宽带(UWB)滤波器的设计,总结了当前UWB滤波器的主要实现形式。重点研究了微带/共面波导(CPW)结构的超宽带滤波器设计,分析了CPW多模谐振器的谐振特性,利用混合微带/共面波导的紧耦合结构设计了多款结构新颖的具有5.8 GHz陷波特性或者双陷波特性的UWB滤波器。


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