面向5G通信系统的宽带高效功率放大器的研究

摘要

随着无线通信系统技术的不断发展，有限的频谱资源变得格外拥挤。为了应对连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠、低功耗大连接等不同场景，第五代通信技术（5G）应运而生。5G对通信系统的带宽提出了更高的要求。另一方面，随着通信设备数量的激增，能量消耗问题变得日益严峻，能源节约和环境保护不仅是时下热点，更是未来发展趋势。功率放大器作为通信系统中极重要并且能耗最高的器件，其带宽限制了整个通信系统的带宽，其效率决定了通信系统的整体效率。因此，本文确立了面向5G通信系统的高效宽带功率放大器的研究方向，主要工作如下： （1）本文分析了功率放大器的基本理论，根据宽带匹配理论，利用源和负载牵引技术，得到了宽带匹配阻抗空间，然后研制了一个工作在 3.3-4.2GHz，输出功率超过36dBm，增益大于13dB，效率超过50%的功率放大器。在此基础上，进一步研制了一款工作在 3.4-4.3GHz ，两级级联的功率放大器，其输出功率超过35dBm，增益大于30dB，效率超过48%，同时，两级放大器之间不需要引入额外的隔离器。这两个设计均采用CREE的CGHV1F006S，实现5G中频段的宽带高增益功放的设计目标。 （2）本文研究了连续逆F类功率放大器的基本原理，在其电流和电压方程中，引入了新的参数，获得了可以存在实部的谐波解空间，进一步扩展了带宽。在此基础上，研制了一款工作在2.5-4.1GHz，输出功率9.1-18.4W的宽带高效功率放大器，获得了超过60%的平均效率。此设计采用CREE的CGH60015D裸片，实现了4G保留频段和5G中频段的宽带高效率功放的设计目标。 （3）本文分析了传统Doherty 的基本原理和其带宽限制因素。利用后匹配技术，避免了引入高阻抗比λ/4变换器，拓展了带宽。在此基础上，研制了一款工作在2.4-3.4GHz的宽带高效Doherty功率放大器，其饱和输出功率大于43dBm，回退6dB效率超过45%。此设计采用CREE的CGH10010F，成功地实现了4G保留频段和5G中频段的宽带高效率功放的设计目标。

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