开关类射频功率放大器波形研究

摘要

开关类射频功放在当前移动通信中起着重要而关键的作用，具有更高的效率和更优的宽带潜力，是满足绿色低能耗、宽带高速率运营的基础。在设计方法方面，对于同一功能指标，采用不同的设计方法，所设计出来的功放电路会有一定差异，性能也不尽相同，无法确定最优设计方案。针对此情况，本论文提出不受开关类功放类别限制，采用以功放理想输出波形为出发点的设计思路，来完成高效率宽带功放设计。 论文首先从波形的角度对E、F、J等开关类射频功放电路设计方法进行对比分析，研究高效率波形的特点；其次研究了功放设计过程中影响输出波形的因素，就未匹配状态下功放实际输出波形进行分析，推导出了高效率波形的形式，并提出基于此波形的功放设计方法；最后从输出波形的角度，对采用基于波形的设计方法与其它设计方法设计的功放进行对比研究。作为设计实例，论文完成了基于波形的单频和宽带高效率功放仿真设计及实验验证。 论文具体工作内容如下： 1.对E、F、J等开关类射频功放的输出波形展开研究，将各类功放的输出波形进行频域展开分析，研究其阻抗控制条件与波形之间的关系，对比分析其波形的不同点以及优缺点，总结高效率功放设计基本要点。 2.从功放的静态工作点、晶体管寄生效应以及匹配网络三个角度研究了对输出波形产生影响的因素，并对当前开关类射频功放波形设计方面的不足进行分析，提出基于高效率波形的设计思路。 3.对未匹配状态下，功放输出波形特征进行分析，推导出高效率波形最优解，提出降低电流波形直流分量，电压波形平坦化的设计方法实现高效率波形，并基于此方法设计了一款工作在2.4GHz的高效率功放，与采用其它方法设计的相同工作条件的功放进行了对比分析，验证了该设计方法的可行性。最后，对该高效率波形最优解的求解步骤进行了详细总结。 4.将基于波形的高效率功放设计方法拓展到宽带应用中，采用基波和谐波分离控制的方法，设计了一款工作在1.5GHz-2.5GHz的宽带功放并进行了实物测试，在30dBm输入信号下，实现了频带内功率附加效率为65-73%，增益9.9dB-11dB的优良性能。 本论文的研究工作，对开关类射频功率放大器的理论研究与工程应用有一定的参考价值。

目录

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1开关类功放效率研究

1.2.2开关类功放带宽研究

1.3本文的目的

1.4本文的研究内容

1.5本文的主要内容安排

第二章开关类射频功放基础知识

2.1功率放大器的性能指标

（1）带宽

（2）增益

（3）效率

（4）平坦度

（4）线性度

2.2功率放大器的分类

2.3开关类功放的工作模式

2.3.1 E类功率放大器

2.3.2 F类功率放大器

2.3.3 J类功率放大器

2.3.4开关类功放波形总结

2.4高效率波形设计要点

2.5本章小结

第三章波形设计影响因素研究

3.1静态工作点对输出波形的影响

（1）静态工作点分析

（2）静态工作点选择

3.2非线性寄生参数对波形的影响

（1）对晶体管进行建模

（2）非线性效应对输出波形的影响

3.3输出匹配网络对波形的影响

3.4基于波形的分步设计

3.5本章小结

第四章高效率波形研究与实现

4.1高效率波形研究

4.2高效率波形实现

4.2.1电流波形实现

4.2.2电压波形实现

4.2.3高效率波形验证

4.3匹配网络设计

4.4波形设计的有效性验证

（1）E 类功放设计

（2）F 类功放设计

（3）J 类功放设计

（3）对比分析

4.5高效率波形设计步骤

（1） 设定功放的初始工作状态

（2） 电流波形降直流

（3） 电压波形平坦化并相移

（4） 求解最佳相移量Δ =φ

（5） 确定最佳电压波形

（6） 求解最佳阻抗

（7） 实现高效率波形

4.6本章小结

第五章基于高效率波形的宽带功放设计

5.1宽带功放设计难点

5.2宽带功放实现

5.2.1最佳阻抗点选择

5.2.2匹配网络设计

5.3实物加工

5.3.1散热设计

5.3.2实物加工

5.4实物测试与分析

5.4.1实物测试

5.4.2功放测试结果

5.5本章小结

第六章总结与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果