E类及逆E类射频功率放大器的研究

摘要

射频发射机是无线通信系统的关键部分，而射频功率放大器（RFpoweramplifier）又是射频发射机中的核心部件。射频功率放大器的效率、增益、线性度等性能指标很大程度上决定了射频发射机的整体性能，因此，射频功率放大器的一直都是射频领域研究的热点。
　　现代无线通信系统要求射频功率放大器有更高的效率、更大的输出功率及更好的线性度，而传统的线性射频功率放大器的效率一直很低，很难满足高效率的要求，E类及逆E类射频功率放大器则能很好的解决效率的问题。E类及逆E类射频功率放大器使有源器件工作在开关状态，使得流过有源器件的电流与有源器件两端的电压不交叠，这样电流电压乘积为零，有源器件本身不消耗功率，E类及逆E类射频功率放大器在理论上就能获得100％的效率。
　　本文首先介绍了射频功率放大器的用途、指标、分类，以及各类射频功率放大器的基本原理和优缺点。
　　然后，本文详细阐述了E类及逆E类射频功率放大器的电路原理，并通过数学推导导出E类及逆E类射频功率放大器负载回路的各元件值。再用集总元件及微带线分别设计了E类及逆E类射频功率放大器，以此介绍E类及逆E类射频功率放大器的基本设计步骤。
　　接着，使用氮化镓(GaN)晶体管设计了一个宽带E类射频功率放大器，通带范围从1.2GHz～2.2GHz，通带内功率附加效率(PAE)不低于53％，增益不低于11dB，但增益的平坦度较差。针对这个问题，本文提出了一种基于RLC串联谐振回路的负反馈网络，增加了通带内增益的平坦度。
　　最后，本文使用基于TSMC0.18μm的CMOS工艺设计了E类及逆E类射频功率放大器，并详细分析了在CMOS工艺的环境下逆E类射频功率放大器相比较于E类的优势。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 E类及逆E类射频功率放大器的背景及其意义

1．2 E类及逆E类射频功率放大器的研究现状

1．3 本课题的主要工作及论文的结构

2 射频功率放大器设计基础

2．1 射频功率放大器的主要技术指标

2．1．1 输出功率

2．1．2 功率增益

2．1．3 效率

2．1．4 线性度

2．1．5 稳定性

2．1．6 功率放大器的其他技术指标

2．2 射频功率放大器的分类

2．2．1 A类射频功率放大器

2．2．2 B类射频功率放大器

2．2．3 AB类射频功率放大器

2．2．4 C类射频功率放大器

2．2．5 D类射频功率放大器

2．2．6 E类射频功率放大器

2．2．7 F类射频功率放大器

2．3 本章小结

3 E类及逆E类射频功率放大器的设计

3．1 E类射频功率放大器的设计

3．1．1 E类射频功率放大器的原理

3．1．2 E类射频功率放大器的设计流程

3．1．3 基于集总元件设计的GaNE类功放

3．1．4 基于微带线结构设计的GaNE类功放

3．2 逆E类射频功率放大器的设计

3．2．1 逆E类射频功率放大器的原理

3．2．2 基于集总元件设计的GaN逆E类功放

3．2．3 E类功放与逆E类功放的优缺点比较

3．3 本章小结

4 宽带E类射频功率放大器的设计

4．1 宽带E类功放的原理

4．1．1 宽带E类功放的负载及源阻抗的选取

4．1．2 宽带E类功放阻抗变换网络的选择

4．1．3 切比雪夫低通阻抗变换网络

4．2 基于切比雪夫低通阻抗变换网络的宽带E类功放的整体仿真结果

4．3 基于RLC串联谐振电路的通带内增益平坦化技术

4．3．1 传统负反馈方法

4．3．2 基于RLC串联谐振的负反馈方法

4．4 本章小结

5 基于CMOS工艺的E类及逆E类射频功率放大器的设计

5．1 CMOS工艺用于制作功率放大器的困难与挑战

5．1．1 有耗衬底

5．1．2 MOS管击穿电压

5．2 基于CMOS工艺的E类射频功放的设计

5．2．1 CMOS工艺E类功放的电路原理图的设计

5．2．2 CMOS工艺E类功放的版图的设计

5．3 基于CMOS工艺的逆E类射频功放的设计

5．3．1 CMOS工艺逆E类功放的电路原理图的设计

5．3．2 CMOS工艺逆E类功放的版图的设计

5．4 在CMOS工艺下逆E类功放相比较于E类功放的优势

5．5 本章小结

结论及展望

致谢

参考文献