射频功率放大器设计技术及快速电磁优化方法的研究

摘要

射频功率放大器是无线发射机射频前端的关键模块之一，其性能的好坏直接决定了整个通信系统的良莠。为了减少无线通信系统的功耗并降低对系统散热装置的要求，近年来业界已经提出了多种射频功率放大器的效率提升策略，如 E类、F 类和逆 F (F-1) 类等。然而，随着工作频率的升高，晶体管的寄生效应等非理想因素给高效功放阻抗匹配的实现带来很大困难，进而给高效功放的设计带来新的挑战。另一方面，在射频功率放大器的设计过程中，由原理图生成版图后，受实际互联线、器件的寄生效应和耦合效应等多重因素的影响，版图仿真的性能往往低于设计指标，因而版图优化成为设计者提高成品率的重要步骤，然而传统的电磁仿真较为耗时且耗费大量的CPU资源。因此，基于以上两个亟待解决的问题，本文分别针对高效射频功放的设计技术和射频功放的快速电磁优化方法进行了研究，其主要内容包括以下两个方面： 1. 针对由于晶体管寄生效应的存在导致E类功率放大器最大工作频率(fmax)受限和谐波调谐类功放多谐波匹配电路设计较为复杂的问题，本文分别提出了新型的E类功放输出匹配电路结构和新型的多谐波匹配电路结构。不仅实现了晶体管寄生效应在基波以及各次谐波下的精确补偿，同时避免了寄生补偿电路和基波匹配电路的单独设计，简化了设计过程，实现的结构也较为简单。基于提出的方法分别设计实现了工作在 2.5GHz 的逆 F 类和 E 类功率放大器，并分别达到了79.8%和80%的最大功率附加效率，证明了所提出方法的有效性。 2. 针对传统电磁优化较为耗时且耗费CPU资源的问题，本文提出了一种基于单点空间映射算法的射频功率放大器快速电磁优化方法。由于单点空间映射算法既不需要大量的电磁仿真作为训练数据点，也不需要对电路中的无源器件进行额外的器件建模，所以提出的优化方法只需要较少的迭代次数就可以获得功放最优的电路设计参数。利用所提出的方法，对工作在 35~42GHz 的宽带 MMIC 功率放大器进行了电磁优化，经过两次迭代优化后，功放性能就可以达到期望的设计指标，大大缩短了优化时间。

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