LTE系统中基于GaN器件的基站功率放大器的研究

摘要

现代LTE移动通信系统采用峰均比较高的调制信号，需要用功率回退的方式来保证线性度，然而功率回退又会造成效率的降低，这给通信基站 RRU中的射频功率放大器的设计带来了难题。本文利用Doherty结构来解决功放设计中效率与线性度之间的矛盾，全面采用基于第三代半导体材料GaN的HEMT射频功率器件，做了如下研究：
　　为了提高 Doherty功放的功率回退量，本文提出了主辅功放峰值功率比为1:2的归一化模型，并将模型应用到 Doherty电路结构中进行求解，结合 Doherty结构在回退区间的高效特性和GaN器件的高效性能二者的优势，设计了一款基于GaN器件的非对称Doherty基站功率放大器。仿真结果显示：当中心频率为2.6GHz，峰值功率为90W时，功放在峰值功率点附近的PAE达到了71.3%，在功率回退点附近的PAE达到了62.8%，9.5dB的功率回退区间的PAE大于50%，增益大于10dB。测试结果显示：主功放在2.6GHz处的小信号增益为14.7dB，2.5~2.7GHz频带内的增益平坦度为±0.6dB，频带内的S11小于-12.4dB，Doherty功放经过DPD纠正后的ACLR为-50dBc，功放在饱和功率附近处的PAE约为55%，在回退点处的PAE约为46%。
　　为了进一步挖掘GaN器件本身的高效性能，提升Doherty功放的效率，本文将谐波抑制类结构应用到Doherty结构中，结合GaN器件的高效率特性、Doherty结构在回退区间的高效性和谐波抑制类结构的效率提升特性三者的优势，设计了一款基于GaN器件的谐波抑制类Doherty基站功率放大器。仿真结果显示：当中心频率为2.6GHz，峰值功率为60W时，功放在峰值功率点附近的PAE达到了74%，在功率回退点附近的PAE达到了67.2%，功率回退区间的PAE大于60%，增益大于11dB。测试结果显示：Doherty功放在2.6GHz处的小信号增益为12.6dB，2.5~2.7GHz频段内的增益平坦度为±0.75dB，频带内的S11小于-11.9dB，经过 DPD纠正后的ACLR约为-45dBc，Doherty功放在峰值功率点附近处的PAE接近60%，在回退点处的PAE约为48%。
　　本文通过对比分析得出GaN Doherty功放在峰值处的PAE比LDMOS Doherty功放高出10%~19%，在功率回退区间的PAE比LDMOS Doherty功放高出6%~10%。

目录

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致谢

1. 绪论

1.1 课题来源与研究背景

1.2 移动通信系统和半导体材料的发展历史

1.3 高性能射频功率放大器的研究现状

1.4 论文的主要工作和内容安排

2. 射频功率放大器基础

2.1 功率放大器分类

2.2 射频功率放大器基本指标

2.3 射频功率放大器非线性分析

2.4 数字预失真技术

2.5 本章小结

3. Doherty功放和F/逆F类功放理论设计

3.1 有源负载牵引理论

3.2 Doherty结构理论分析

3.3 传统对称Doherty的模型分析

3.4 非对称Doherty功放的模型设计

3.5 F/逆F类功放理论

3.6 本章小结

4. 基于GaN器件的Doherty功率放大器的仿真设计

4.1 基于GaN器件的非对称Doherty功放的设计

4.2 基于GaN器件的谐波抑制类Doherty功放的设计

4.3 效率对比分析

4.4 本章小结

5. 版图设计与测试

5.1 版图设计

5.2 基于GaN器件的非对称Doherty功放的测试

5.3 基于GaN器件的谐波抑制类Doherty功放的测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

作 者 介 绍

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