GaAsHBT单片微波宽带功率放大器的研究与设计

摘要

宽带功率放大器作为多标准射频通信前端系统的关键部件，是下一代无线通信技术研究的热点之一。宽带功率放大器的谐波频率由于落在邻近工作信道内而很难进行滤除，因此宽工作频带内的高线性度要求是宽带功率放大器设计的一个难点。同时，由于自偏置效应导致功率放大器的输入输出阻抗随着输入功率的大小而变化，因此在不同的输入功率下均保持宽带低反射系数是宽带功率放大器设计的另一难点。本论文面向1.8-4.0GHz内无线通信应用特点和指标要求，分别从器件结构与解析模型、线性化技术、宽带匹配技术以及电路实现等方面对1.8-4.0GHz宽带功率放大器展开研究，主要的工作及创新如下:
　　(1)基于功率放大器器件级的非线性特性分析和Gummel-Poon直流静态解析模型，建立了一种基于傅里叶分析的Gummel-Poon交流大信号解析模型，采用发射结为40μm2的InGaP/GaAs HBT进行测试和计算，结果表明在器件饱和之前该大信号模型计算得到的大信号参数与测试结果的误差不超过3％，基于该模型分析了InGaP/GaAs HBT的跨导、基极-发射极电容以及基极-集电极电容在不同偏置状态下随输入功率改变的非线性特性。
　　(2)基于功率放大器电路级的非线性特性分析和预失真线性化原理，构建了一种基于饱和偏置的宽带预失真线性化电路，采用该电路设计了一个DC-4GHz宽带驱动功率放大器。测试结果表明:该放大器的1dB压缩点输出功率(P1dB)达到了23dBm，平均三阶交调点输出功率(OIP3)达到了35dBm，同时P1dB和OIP3在DC-4GHz范围内的变化不超过4dB，其波动范围比传统宽带驱动功率放大器要小66％，实现了在宽带范围内对功率放大器非线性的预失真补偿。
　　(3)基于功率放大器阻抗的大信号变化特性和行波传输匹配原理，提出了一种阶梯型行波传输宽带匹配网络，采用该网络设计了一个DC-12GHz宽带可变增益放大器。测试结果表明:在DC-12GHz范围内，该放大器S21的可调整范围是-15dB到15dB，S11和S22在整个频带内都分别在-15dB和-10dB以下，且随偏置电流改变的波动很小，实现了放大器在宽带范围内高稳定的低反射特性。
　　(4)综合以上分析设计方法，基于2μm InGaP/GaAs HBT工艺，设计并实现了一款1.8-4.0GHz宽带功率放大器。该放大器芯片面积为1.5mm2，在1.8-4.0GHz频率范围内，该放大器功率增益为30.5dB;在-30～0dBm的输入功率下，输入/输出反射系数分别在-15dB和-10dB以下;在1.9GHz，对于5MHz信道间隔的WCDMA调制信号，其ACPR低于-43dBc@27dBm;在2.4GHz，对于20MHz64QAM的WLAN调制信号，其EVM要低于-27dB@24dBm;在3.6GHz，对于64-QAM-1/2的WiMAX调制信号，其EVM低于-26dB@20dBm。
　　论文基于以上工作，实现了功率放大器在1.8-4.0GHz范围内的高线性度和不同功率下的宽带低反射系数，满足宽带多标准射频前端系统工作的指标要求，可同时应用于WCDMA、WLAN和WiMAX等多种通信系统。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 无线通信的发展背景

1．1．2 宽带无线通信及宽带功率放大器

1．2 研究动态与研究内容

1．2．1 宽带功率放大器的研究动态

1．2．2 本论文的研究内容

1．3 本论文主要创新点及组织结构

第二章 宽带功率放大器的非线性特性与宽带匹配问题

2．1 功率放大器的非线性问题

2．1．1 非线性失真

2．1．2 非线性指标

2．1．3 宽带功率放大器的非线性

2．2 功率放大器的宽带匹配问题

2．2．1 博德理论

2．2．2 范诺理论

2．2．3 尤拉理论

2．2．4 功率放大器的宽带匹配

2．3 本章小结

第三章 砷化镓异质结晶体管的器件结构与解析模型

3．1 InGaP／GaAs HBT器件结构与工作原理

3．2 InGaP／GaAs HBT的直流静态模型

3．3 InGaP／GaAs HBT的交流小信号模型

3．3．1 外部寄生元件

3．3．2 内部本征元件

3．4 InGaP／GaAs HBT的交流大信号模型

3．4．1 交流大信号模型的提取与拟合

3．4．2 交流大信号模型的验证

3．4．3 交流大信号模型的应用

3．5 本章小结

第四章 基于饱和偏置的预失真线性化技术

4．1 传统的线性化技术

4．2 新型的预失真线性化技术

4．2．1 新型预失真电路的线性化作用

4．2．2 新型预失真电路的宽带化特性

4．3 新型DC-4GHz宽带驱动功率放大器

4．3．1 电路架构研究与设计

4．3．2 输出级工作原理

4．3．3 输入级工作原理

4．3．4 测试结果与分析

4．3．5 线性度指标比较与验证

4．4 本章小结

第五章 基于阶梯型行波传输网络的宽带匹配技术

5．1 宽带匹配技术

5．1．1 传统的宽带匹配技术

5．1．2 阶梯型行波传输匹配网络

5．2 新型DC-12GHz宽带可变增益放大器

5．2．1 宽带输入电路

5．2．2 宽带输出电路

5．2．3 可变增益控制

5．3 流片测试与验证分析

5．3．1 流片参数与芯片照片

5．3．2 增益及反射参数测试与分析

5．3．3 线性及噪声参数测试与分析

5．3．4 宽带匹配指标比较与验证

5．4 本章小结

第六章 1．8-4．0GHz宽带功率放大器芯片的设计与测试

6．1 自适应线性化偏置电路

6．2 共射共基功率输出级电路

6．2．1 小信号分析

6．2．2 大信号设计与仿真

6．3 宽带线性化输入级电路

6．3．1 电路结构与线性化补偿

6．3．2 级间匹配与输入匹配

6．3．3 宽带功率放大器整体电路仿真

6．4 版图与三维电磁仿真

6．4．1 芯片版图设计

6．4．2 三维电磁仿真

6．5 测试与验证

6．5．1 正弦连续基波测试与验证

6．5．2 WCDMA／WLAN／WiMAX调制基波测试与验证

6．5．3 1．8-4．0GHz宽带功率放大器性能比较

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的学术成果