2--18GHz超宽带功率放大器的研究

摘要

随着通信技术的迅猛发展，逐渐提高的数据传输速率对电子系统的带宽提出了更高要求。功率放大器作为射频前端的核心部件，其性能的优劣关乎整个系统的使用状况。因此超宽带功率放大器在通信领域内的重要性不言而喻，具有极高的研发价值。本文针对指标要求，结合国内外发展现状，设计出一款2-18GHz超宽带功率放大器。 首先，本文根据设计指标进行调研分析，介绍了超宽带功率放大器的现状。为了解GaN HEMT的器件参数特性，结合理论对末级功率放大器晶体管TGF2023-02进行小信号与大信号建模及参数提取，提取参数在电路设计中得以应用。 其次，针对指标本设计采用了三级放大器级联形式。其中增益级放大器选用ADI公司HMC797A MMIC放大器;驱动级和末级功率放大器选择TGF2023-01与TGF2023-02 GaN HEMT作为管芯，采用分布式结构，结合渐变漏级传输线理论实现。在ADS2015仿真软件中，对分布式结构的驱动级与末级功放进行了直流、小信号S参数、load-pull、谐波平衡和版图-原理图仿真。考虑到装配及散热等因素，设计了结构腔体，并基于结构腔体在ANSYS软件中进行了热仿真。 最后，优化后的仿真数据采用单层PCB电路板，通过微组装工艺最终实现超宽带功率放大器。实测结果表明:本设计超宽带功率放大器在2-18GHz带宽内，平均输出功率为8W，最大在10W以上，效率最低可达23％，输入反射系数＜-10dB，在全频带内增益大于20dB，其中2-16.5GHz内增益达到26.5±2.5dB，具有一定的实际应用意义。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1引言

1．2国内外研究现状

1．2．1国外发展及现状

1．2．2国内发展及现状

1．2．3国内外研究对比

1．3论文的主要工作及内容安排

2超宽带功率放大器基本理论

2．1功率放大器主要技术指标

2．2宽带匹配理论

2．2．1宽带匹配基本理论

2．2．2分布式放大器

2．2．3反馈型放大器

2．2．4平衡放大器

2．2．5有耗匹配放大器

2．2．6电抗匹配放大器

2．3本章小结

3 GaN HEMT功率器件建模及参数提取

3．1 GaN HEMT器件原理

3．2 TGF2023-02小信号模型参数提取

3．2．1寄生参数提取

3．2．2本征参数提取

3．2．3小信号建模结果

3．3 TGF2023-02非线性模型参数提取

3．3．1 EEHEMT非线性模型参数提取过程

3．3．2 EEHEMT建模结果

3．4本章小结

4超宽带功率放大器设计

4．1总体设计方案

4．1．1设计指标

4．1．2实现形式

4．1．3器件选型

4．2末级功率放大器

4．2．1渐变漏级传输线高效方案

4．2．2直流偏置设计

4．2．3功放电路设计

4．2．4 Load-pull仿真

4．2．5输出匹配电路设计

4．2．6整体电路仿真

4．3驱动级放大器

4．4驱动级与末级功放原理图及版图-原理图联合仿真

4．5增益级放大器

4．6热仿真设计

4．7功率放大器装配与实物图

4．8本章小结

5超宽带功率放大器测试及结果分析

5．1超宽带功率放大器测试

5．1．1线性增益测试

5．1．2输出功率与P1dB测试

5．1．3输入端口反射系数测试

5．2超宽带功率放大器测试结果分析

5．3本章小结

6总结与展望

致谢

参考文献

附录