基于SiGe HBT工艺的功率放大器模块及单片电路的设计

摘要

无线通信技术的飞速发展极大地改变了人们的日常通信交流方式，而射频功率放大器作为无线收发机中的核心模块之一，其性能很大程度上关系到信号传输的质量以及功率的消耗。随着4G通信标准的逐渐普及，为了适应更高速高质量的信息传输，射频功率放大器的效率和线性度等参数指标也必须相应地提高，使得功率放大器的设计成为射频前端设计中的重点和热点。目前市场上的射频功率放大器大部分采用的是GaAs、InGaP等工艺，而SiGe HBT(Heterojunction BipolarTransistor，异质结双极型晶体管)由于其成本低、特征频率高、噪声和散热性能好等优点，在无线通信领域有着非常广阔的应用前景。
　　本文采用0.18μm SiGe HBT工艺设计了工作在2.4 GHz应用于WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网）领域的一款功率放大器单片电路以及一款高线性输出功率的板级放大器模块。功率放大器单片电路采用三级放大电路级联的结构，偏置在AB类工作状态以兼顾线性度和效率;通过添加适当大小的基极镇流电阻以提高放大电路的稳定性;采用自适应线性化偏置电路，自动调整功率放大器工作时的偏置状态，以提高放大器的线性度和增益;输出端采用Loadpull（负载牵引）匹配方式以获得最大输出功率，灵活选择级间和输入端匹配网络以实现最大功率传输。芯片版图设计时充分考虑寄生因素和散热性能。最终该芯片的测试结果为:1dB压缩点输出功率为23.4 dBm，增益为28.8 dB，功率附加效率为13.6％。板级功率放大器模块是利用三级功率单元(powercell)芯片在PCB(PrintedCircuit Board，印刷电路板)上进行匹配调试完成。根据每一级放大电路在增益和输出功率上的侧重点合理选择功率单元;依据功率单元测试PCB设计TRL校准件;利用TRL校准方式以获得各功率单元芯片较为精确的输入输出匹配阻抗，逐级进行级间匹配以达到高线性输出功率的指标。最终该放大器模块的测试结果为:对于64QAM（正交幅度调制）信号，当EVM（错误矢量幅度）为3％时，输出功率为18.26 dBm，增益为28.5 dB，线性度良好。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 SiGe HBT工艺概述

1．3 SiGe HBT功率放大器的研究现状

1．4 本文研究工作及组织结构

第2章 射频功率放大器的理论基础

2．1 功率放大器的性能参数

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

2．2 功率放大器的分类

2．2．1 A类、B类和C类功率放大器

2．2．2 AB类放大器

2．3 功率放大器的设计理论

2．3．1 阻抗与反射系数

2．3．2 稳定性

2．3．3 阻抗匹配理论

2．4 本章小结

第3章 功率放大器单片电路的设计

3．1 功率放大器的设计指标

3．2 功率放大器的设计方案

3．3 功率放大器的电路设计

3．3．1 晶体管的选择

3．3．2 稳定性设计

3．3．3 偏置电路的设计

3．3．4 匹配电路的设计

3．4 功率放大器电路结构及前仿真结果

3．5 功率放大器的版图设计和后仿真结果

3．5．1 版图设计考虑

3．5．2 后仿真结果

3．6 功率放大器芯片的测试

3．6．1 PCB的设计

3．6．2 测试流程

3．6．3 测试结果与分析

3．7 本章小结

第4章 高线性度功率放大器模块的设计

4．1 功率放大器模块的设计指标

4．2 功率单元的选择

4．3 功率放大器模块的调试

4．3．1 TRL校准

4．3．2 功率单元的级联

4．4 功率放大器模块的测试结果

4．5 本章小结

第5章 总结

参考文献

致谢

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