基于GaAs HBT工艺的卫星通信手持终端射频功率放大器设计

摘要

卫星移动通信作为手机移动通信的互补产业，由于其通信距离长，抗干扰能力强，信号稳定等优点，近年来获得了快速的发展。射频发射机作为卫星移动通信手持终端的主要射频模块，其主要负责对基带信号进行上变频和放大器以驱动天线发射信号。射频功率放大器作为发射机中信号放大器的部件，其效率，谐波性能，可靠性等决定着发射机的功耗，线性度等重要指标。因此，开展对应用于卫星通信手持终端的功率放大器研究具有十分重要意义。
　　本研究针对S波段卫星移动通信手持终端对功率放大器谐波性能的要求，基于GaAs HBT工艺采用具有谐波抑制功能的输出匹配网络，利用三级放大器的电路结构实现了一个大小为4mm*4mm的功率放大器。该输出匹配网络利用三个串联LC谐振网络实现对功率放大器谐波分量的抑制，谐波抑制网络包含在功率放大器的输出匹配网络中，减小了其所占空间面积。实验测试结果表明，该功率放大器获得了35dB的功率增益，在输入信号功率从-15dBm到4dBm变化时，增益平坦度为±0.2dB。同时，饱和输出功率为35.2dBm，1dB压缩点的输出功率为34dBm，最大功率附加效率为48％。二到五次谐波抑制度分别为:-53.7dBc，-58.17dBc，-65.57dBc，-60.87dBc。针对北斗卫星导航通信功率放大器的指标要求，采用两种功率合成方式设计实现了两种输出功率为5W，大小为10mm*10mm的功率放大器。其中一种在输出合成网络中引入相应的谐波抑制网络以改善功率放大器的谐波性能，另一种则以改善功率放大器的可靠性为原则，通过在输出合成网络中引入LC相移网络使得两路功率放大器的输出端形成90°的相位差从而改善功率放大器输出端口的驻波特性。实验测试结果表明0合成网络中引入谐波抑制的功率放大器获得了38.3dBm的饱和输出功率，功率附加效率为43.7％，二到五次谐波抑制度分别为:-66dBc，-64dBc，-74dBc，-47dBc。合成网络中引入相移的功率放大器其输出饱和功率为37.6dBm，功率附加效率为42.6％，但该功率放大器在负载开路情况下依然不烧毁，回到50Ω负载时，其仍能正常工作。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要工作及组织结构

第二章 功率放大器理论基础

2．1 功率放大器特性

2．1．1 功率放大器的幅度失真

2．1．2 功率放大器的相位失真

2．2 功率放大器的类别

2．2．1 传统的功率放大器

2．2．2 开关类型的功率放大器

2．3 功率放大器的性能指标

2．3．1 输出功率

2．3．2 效率

2．3．3 功率增益

2．3．4 线性度

2．4 功率放大器的匹配网络

2．4．1 二端口网络理论

2．4．2 共轭匹配

2．4．3 负载线匹配

2．4．4 匹配网络的类型

2．5 功率放大器的效率提高技术和线性化技术

2．5．1 Doherty功率放大器

2．5．2 包络消除和恢复放大器(EER)

2．5．3 包络跟踪放大器

2．5．4 预失真线性化技术

2．6 小结

第三章 器件特性与版图工艺

3．1 HBT器件的特性

3．1．1 能带结构

3．1．2 器件寄生效应

3．2 器件模型

3．2．1 HBT器件模型

3．2．2 无源器件模型

3．3 器件工艺参数及版图

3．3．1 器件工艺参数

3．3．2 器件的版图

3．4 小结

第四章 S波段高谐波抑制功率放大器的设计

4．1 单片集成功率放大器设计流程以及设计指标

4．2 偏置电路的设计

4．3 具有谐波抑制功能的输出匹配网络

4．4 基于三维电磁建模的功率放大器协同仿真

4．4．1 封装基板

4．4．2 键合金线和三维绕线电感的建模

4．4．3 整板与原理图的联合仿真

4．4．4 整板仿真结果

4．5 测试结果

4．5．1 小信号S参数测量

4．5．2 输出功率和功率附加效率测试结果

4．5．3 谐波性能测试结果

4．6 小结

第五章 北斗导航通信5W功率放大器设计

5．1 具有谐波抑制功能的功率合成网络

5．2 具有相移功能的输出合成网络

5．2．1 基于LC元件相移网络

5．2．2 改善功率放大器可靠性的原理

5．3 基于三维电磁建模的功率放大器协同仿真

5．3．1 北斗5W功率放大器放大器基板的三维电磁建模

5．3．2 仿真结果

5．4 测试结果及其分析

5．5 小结

总结

参考文献

攻读学位期间发表论文

声明

致谢