大功率宽带F类功率放大器设计与调试策略分析

论文摘要

当今的便携式电子设备在方寸之间包含了射频集成电路和数字信号处理模块以实现多媒体应用,比如蜂窝电话、基站等对效率的要求越来越高,高效率能够延长移动设备的电池寿命和节省成本,能不能实现低功耗和高效率主要取决于设备中的功率放大器,所以高效率功率放大器越来越值得期待。高效率放大器的研究重点侧重于寄生参数的分析和谐波匹配,以获得令人满意的高效率和实现对通信系统中恒定包络信号的放大。F类放大器作为开关类放大器中的一员,更容易实现我们对高效率的需求,所以本文重点研究宽带、大功率的F类功率放大器。本文首先介绍了开关类放大器D类、E类、逆E类（IE）、F类和逆F类（IF）的特点,在深入分析LDMOS晶体管的基础上,选用Freescale公司的大功率晶体管MRFE6S9045N在ADS-2006仿真环境中设计出一个工作在1.2GHz-1.4GHz,输出功率45W以上,效率为60%-71%的宽带大功率F类功率放大器。本文的主要内容如下:1.介绍了功率晶体管技术的发展历程,在此基础上针对高效率放大器的设计,重点阐述了大功率晶体管和介质基片的选型问题。2.讨论了开关类功率放大器的结构类型和设计方法,探讨了寄生参数在高效率放大器设计中的影响。3.在200MHz带宽下,探讨了基频阻抗变换网络和宽带谐波抑制网络的设计方法,尤其是二次谐波的抑制,在此基础上设计了输入和输出匹配网络,在1.2GHz-1.4GHz仿真出具有60%-71%的附加效率和45W输出功率的宽带F类功率放大器。4.详细论述了本文设计的宽带大功率F类功率放大器在ADS仿真环境下的调试过程,假定实际条件下效率恶化的情况,定性和定量地给出了相应的调试策略和调试过程分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和研究内容
• 1.2 高效率放大器的发展现状
• 1.2.1 开关类放大器的发展历程
• 1.2.2 功率放大器的机遇和挑战
• 第二章 功率晶体管和介质基片的选型分析
• 2.1 功率晶体管技术的发展
• 2.1.1 硅基半导体有源器件——LDMOS
• 2.1.2 第三代半导体有源器件——（SiC/GaN）MESFETs/HEMTs
• 2.2 晶体管和介质基片的选型
• 2.2.1 晶体管选型
• 2.2.2 介质基片的选型
• 2.3 功率放大器的设计指标
• 2.4 本章小结
• 第三章 开关类功率放大器的结构分析和设计方法
• 3.1 开关类功率放大器的分类和依据
• 3.1.1 D 类功率放大器的结构分析和设计方法
• 3.1.2 E/IE 类功率放大器的结构分析和设计方法
• 3.1.3 F/IF 类功率放大器的结构分析和设计方法
• 3.2 本章小结
• 第四章 宽带F 类功率放大器的电路设计及仿真
• 4.1 F 类功率放大器的寄生参数分析
• 4.2 基于F 类放大器设计的晶体管应用特性分析
• 4.2.1 直流特性
• 4.2.2 宽带匹配特性
• 4.3 宽带F 类功放的理想参数仿真
• 4.4 宽带F 类功放的集总参数设计
• 4.4.1 基频阻抗变换网络设计
• 4.4.2 宽带谐波抑制网络设计
• 4.5 宽带F 类功放的分布参数设计
• 4.5.1 分布参数设计
• 4.5.2 优化算法选择与电路调谐
• 4.5.3 最终电路结构和仿真结果
• 4.6 宽带F 类功放的基频匹配效果分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 软件仿真环境下宽带F 类功放的调试与调试策略分析
• 5.1 软件仿真环境下的调试过程
• 5.2 软件仿真环境下的调试策略
• 5.2.1 稳定性分析
• 5.2.2 效率的调试过程
• 5.2.3 最佳调试频率点的选择和分区域调试
• 5.3 软件仿真环境下调试过程的定量分析
• 5.3.1 全频带效率调试的定量分析
• 5.3.2 分区域效率调试的定量分析
• 5.3.3 软件仿真环境下调试电容的初始值估计
• 5.4 软件仿真环境下调试过程的定性分析
• 5.4.1 效率和稳定性变化趋势的定性分析
• 5.4.2 各次频点阻抗变化趋势的定性分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 未来工作及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果
• 附录I A 区1.25GHz 时的稳定性变化趋势
• 附录II C 区1.36GHz 时的稳定性变化趋势
• 附录III A 区1.25GHz 时的效率变化趋势
• 附录IV C 区1.36GHz 时的效率变化趋势