S波段F类功率放大器的宽频带研究

本科生毕业论文（设计）题目：S波段F类功率放大器的宽频带研究学院电子信息工程学院学科门类工学专业电子信息工程学号1108421019姓名徐国亮指导教师倪春/胡斌2015年05月28日合肥师范学院2015届本科毕业论文（设计）I摘要功率放大器是现代无线通信系统收发端的核心模块，设计射频放大器与设计常规低频放大器的方法是完全不一样的，很多重要因素是需要考虑和克服的。比如电压驻波比系数的降低问题，他就需要有良好的匹配网络与入射电压波和入射电流波相匹配。本文设计了工作频2.4GHz的F类功率放大器，F类功率放大器采用开关放大模式，即晶体管工作在“导通”和“截止”两种不连续的状态，理论上，其理想效率为100%，被称为新一代功率放大器。F类功率放大器可用于雷达、通信和电子对抗等领域，是实现现代电子设备高效率、高功率和小型化的重要途径。本文在传统的F类功率放大器结构的基础上，深入研究F类功放的宽频带技术，设计一款S波段的宽频带F类功率放大器。关键词：F类；功率放大器；高效率；宽频带合肥师范学院2015届本科毕业论文（设计）IIAbstractPoweramplifieristhecoremoduleandreceptionofmodernwirelesscommunicationsystem,MethodofRFpoweramplifierdesignanddesignofconventionallowfrequencyamplifieriscompletelydifferent,Manyimportantfactorsneedtobeconsideredandovercome.Forexample,thevoltagestandingBobbicoefficientreducingproblems,hejustneedstohavegoodmatchingnetworkandtheincidentvoltagewaveandtheincidentwavecurrentmatching.ThispaperdesignstheworkingfrequencyofFclass2.4GHzpoweramplifier,classFpoweramplifierusingswitchamplifiermode,namelythetransistoroperatingintheonandoffoftwokindsofdiscontinuousstate,intheory,theidealefficiencyof100%,iscalledanewgenerationofpoweramplifier.ClassFpoweramplifiercanbeusedinradar,communicationandelectronicwarfareandotherfields,isanimportantwaytohighpowerandsmallsize,torealizethehighefficiencyofmodernelectronicequipment.BasedontheclassFpoweramplifierstructureonthetraditionalbroadband,in-depthstudyofclassFpoweramplifierwithbroadbandtechnology,designofaSbandwithclassFpoweramplifier.Keywords:Class-F;poweramplifier;highefficiency;broadband合肥师范学院2015届本科毕业论文（设计）III目录摘要.........................................................IAbstract.....................................................II1.引言.......................................................11.1研究背景及意义.........................................11.2国内外研究现状.........................................11.3本文主要内容安排.......................................12.基本理论...................................................22.1射频放大器的分类.......................................22.2功率放大器的技术指标...................................22.3几类常见功率放大器.....................................52.4F类功率放大器.........................................73.功率放大器的宽频带研究....................................83.1宽带功率放大器.........................................83.2拓宽频带方法...........................................84.F类功率放大器的设计与仿真...............................114.1设计指标..............................................114.2电路的仿真与优化......................................114.3测试结果..............................................145.总结与展望...............................................14参考文献......................................................15致谢........................................................16合肥师范学院2015届本科毕业论文（设计）11.引言1.1研究背景及意义随着信息时代的步伐不断的前进，信息交流传输显得越发重要和重视，因此，自上世纪80年代以来，通信技术是发展最为迅速的领域之一。通讯系统在人们的生活中也是随处可见，无线通讯、网络通讯的急速发展，也让人们对信息的传输质量有着更高的期待，特别是对传输效率的要求。于是，对通信系统的功率损耗和附加效率的研究变得火热起来[1-2]。无线通讯的日标就是在最低功率损耗下实现对信号的及时有效的传输，因而，对系统的效率研究和设计成为了研究的重点。而射频功率放大器正是通讯系统中重要的前端收发的有源电路模块，且功率损耗最大，影响信息的传输能力。高效的功率放大器对通信系统质量的提高有着非常大的作用。所以，研制高效的功放是一直是人们多年来研究和探索的热点话题。1.2国内外研究现状作为射频传输系统重要部分的射频功率放大器，经过了几十年的研究与革新，有了很大的进步和发展，但是如何使功率放大器有着高效的工作效率一直是研究人员的一个重点内容。无论是国内国外研究人员，都进行过研究和设计。其中，F类功率放大器成为了重点。Tyler在1958年提出了F类放大器的概念，应用于低频信号传输，并提出理想四分之一波长传输线控制所有谐波的方法。另外他察觉出集总参数谐振器在甚高频的多种问题。1967年，Snider实现了谐波信号功率到基波信号功率的转化，让开关模式的F类功率在超高频得到了广泛应用。日本NTT无线通讯系统实验室研究人员在1988年用处理二次谐波的办法研制出在高频段工作的高效功放。美国一些研究人员则在2001年从理论上推导了F类功放不同谐波阻抗下的最大工作效率和功率，并设计出了一款工作在X波段效率为55%的功放。2010年，德国学者更是设计出了能自适应匹配网络1GHz最大功率82%的附加效率的F类功放[3]。1.3本文主要内容安排本论文共分为五章，具体研究内容安排如下：第一章简介研究背景、意义及国类外现状；第二章基本理论知识的分析介绍；第三章是对宽频带功率放大器的简单介绍及其合肥师范学院2015届本科毕业论文（设计）2一般实现方法；第四章是设计了一种S波段F类的功率放大器，简要的设计过程与仿真结果；最后，第五章是对本文的总结和展望。2.基本理论在讲叙F类功放的基本理论前，应当对射频放大器及其组成器件的基本理论有一个简单的说明介绍。因为F类功率放大器是射频放大器的一种，只有对功率放大器的基础知识的掌握，我们才能更加深入的去了解F类功率放大器，下面我介绍几种不同种类的功放。2.1射频放大器的分类射频放大器从A~S分成了很多类，都用字母代表了每个不同种类，这些字母有的是人名缩写，有的则是由其他类变化而名。随着科学技术的飞速发展，功放的不断深入研究，有时在通用设计中，人们对这些简单的分类不能清楚的辨别。另外，功放技术的前进，有了新的扩展种类。可是在某些技术层面上，不同研究人员对于他们的理解却也不相同。由于实物电压电流的测试的原因，新分类带有个人的特别理解与定义。随后，“开关类”功放出现在了功放的进程中，这是现代技术向数字化前进而开发另一种功放。有需要就有发展，有源器件的制作越来越好，带来功放的适用频段不断变宽，从“高频”发展至“甚高频”和“微波段”的领域。但有一个空白未定义的区域，即在非平滑开关类或是模拟功放中加入谐波分量，分别被称为S，E和J类[4-5]。对功率放大器的研究，效率一直是主要研究内容。A类功放有很多优点，它仿真和实践都的实现非常容易，理论分析也很简单，线性良好等。可因A类功放的效率不高，所以有了AB类工作模式的设计。但AB类功放是截断了一部分信号来提升效率，使原有的良好线性不复存在。C类功放不适应所有幅度调制，也就是说线性不理想，所以不能被广泛的使用。随后，数字通信时代到来，线性的要求越来越不能被设计者们忽视，需要放大器能适应全调制功放的模式。我们常说的F类功放常看做是AB类功放的衍生。在定义上，音频和射频功放的分类也有很大的区别。比如最为突出的音频D类功放在射频中归类于“S类”，值得一提的是，音频中的G类和H类在射频中也没被广泛使用，而射频中对这类技术的应用却极为常见，并命名为“包络跟踪”。2.2功率放大器的技术指标射频功放的主要技术指标有很多，像工作频带、增益和输出输入驻波比等等，可最合肥师范学院2015届本科毕业论文（设计）3为重要的是输出功率、效率、失真度的指标要求。在选功放管的时候，若仅有小信号模型，则仿真时对电路只有参考作用，此时若是大信号模型，仿真的结果会更加可信。当加载大信号时，功放就会出现非线性特性，随着输入功率的不断增大，这种非线性的特性会表现的更为突出。此时若继续增大输入功率，只会使输出功率受到限制，增益被压缩，且多种失真会在这个区域中出现。但是我们要考虑到功放的电流的大小，因为这影响着功放的效率和散热问题。因此我们在实际功放设计中要根据具体技术指标的要求来设计，突出重要的技术指标后，再对其它技术指标进行优化。功率放大器的工作频段，通俗的说，对信道而言，频带就是允许传送的信号的最高频率与允许传送的信号的最低频率这之间的频率范围(当然要考虑衰减必须在一定范围内)。若两者差别很大，可以认为频带就等于允许传送的信号的最高频率；对信号而言，频带就是信号包含的最高频率与最低频率这之间的频率范围(当然频率分量必须大于一定的值)。若两者差别很大，可以粗略地认为频带就等于信号的最高频率。功放管芯片的选择要考虑到频带的中心频率与带宽。通信上输出功率的单位为一般用dBm表示，通常情况下功放的输出功率为1dB功率压缩点的功率值。若输入到功放的输