应用于无线通信的高效宽带GaN HEMT功率放大器

基于GaN器件设计了一款带宽达到1.2GHz^2.6GHz功率放大器,覆盖了移动、电信、联通三家运营商频段.漏级效率达到60%~88%,相对带宽达到73%,平均输出功率10 W以上,大信号增益为10~12dB.采用基波阶跃式匹配与谐波控制网络进行设计,解决了同时兼有高效率和宽频带的GaN功率放大器中一系列关键性问题,为4G基站高效率宽带下的功率放大器研制提供一种新的实现途径和方法.

基于GaN器件的连续型高效宽带功率放大器设计

提出一种高效宽带功率放大器的设计方法,并基于Ga N HEMT器件CGH40010F设计了验证电路。利用功放管输出寄生参数的等效网络,将基于连续型功放理论得到的负载阻抗转换到封装参考面上,并利用多谐波双向牵引技术对转换后的负载阻抗进行适当调整,使二次谐波负载阻抗位于高效率区以及基频负载阻抗能够获得高功率附加效率和高输出功率。谐波阻抗位于高效率区使得匹配网络的设计简化为基频匹配网络的设计,降低了对谐波阻抗匹配的难度和宽带匹配网络设计的复杂度。实验结果表明:在1GHz^3GHz工作频带(相对带宽100%)内,功率附加效率在53%~64.6%之间,输出功率为39.5±2d Bm,增益为11.5±2d B,二次谐波小于-15d Bc,三次谐波小于-25d Bc。

基于改进型匹配网络的宽带高效率E类功放的设计

为了解决E类功放工作带宽过窄的问题，对E类功放的输入、输出匹配网络提出了一种改进方案．该方案中输出匹配网络采用微带线结构与切比雪夫低通匹配网络相结合的方法，在较宽的工作带宽内有效地抑制了谐波；并采用阻抗变换方法设计了含闭式解的宽带带通输入匹配网络，明显增强了输入匹配网络设计的灵活性．利用该方案，同时采用多谐波双向牵引技术得到功率管的最佳源阻抗和负载阻抗，基于CGH40010F功率管设计了一款应用于L波段的宽带高效率E类功放．测试结果表明，在输入功率为28 dBm ，漏极偏置电压V DS ＝28 V ，栅极电压V GS ＝－3.3 V时，在整个L波段频率范围内漏极工作效率大于65％，最高达到83％，输出功率为39～41.1 dBm ，增益为11～13.1 dB ，增益平坦度为±1 dB ．这一结果验证了该改进方案的有效性，使得E类功放具有宽带宽、高效率的性能．

一种宽带高效率J类功率放大器的设计

针对未来无线通信系统中的宽带和效率问题,设计了一种宽带高效率的J类功率放大器。为了减少谐波阻抗对效率的影响,该J类功率放大器在输出匹配网络中采用了谐波控制单元,并通过对晶体管模型的简化,综合出一种较好的匹配网络。另外,在输入匹配网络中,使用了具有宽带效应的混合集中和分布元件的π形匹配网络。设计中使用10 W GaN HEMT晶体管对理论进行验证,测试结果显示,在2.2 GHz～2.8 GHz之间的频带内,J类功率放大器的漏极效率大于61%,增益大于10.4 dB。该J类功率放大器在下一代无线通信系统中具有良好的应用前景。

2～4 GHz宽带高效率功放的设计

针对宽带高效率功放的设计要求,基于宽带匹配网络设计了一款GaN宽带高效率功率放大器,其工作频率覆盖整个S波段。仿真结果显示,该功放在整个S频段内漏极效率(DE)大于62%,功率附加效率(PAE)大于57%,增益大于10.6dB。实测结果表明,该功放在整个频段内DE大于54%,PAE大于48%,增益大于9 dB,增益平坦度在1 dB以内,实现了S波段高效率宽带功率放大器的设计。

一种基于匹配网络结构的高效率X波段高功率放大器设计

基于0.25μm氮化镓工艺,设计了一款30 W X波段单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit, MMIC)高功率放大器。基于两级级联拓扑结构电路,提出了宽带低损耗的输出、级间、输入匹配网络及栅极/漏极偏置网络,实现了放大器全频段绝对稳定的高输出功率和高效率。后仿真结果表明:在工作频率为8~12 GHz时,带内输入、输出驻波系数分别小于2.5,2.2,饱和输出功率为44.1 dBm,功率附加效率为38%~42%,平坦度为±0.3 dBm,转换功率增益大于17.9 dB。功率放大器的功率容量为40 W,芯片版图面积为16.9 mm2,可广泛应用于X波段卫星通信等无线通信领域。

一种2.45 GHz谐波抑制有源集成天线设计

针对现代无线通信系统日趋高性能的需求,设计了一种工作频率为2.45 GHz的有源集成发射天线。该有源集成发射天线将功率放大器与一个无源方形微带贴片天线直接集成在一体,省去了传统的50Ω连接线;功率放大器利用小信号S参数进行设计,实现了最大输出功率30.1 dBm;方形辐射贴片对角线处开槽的结构设计,使天线的输入阻抗在谐波频率上近似为纯虚部阻抗;4.9 GHz频率处|S11|>−1.9 dB,达到了抑制天线二次谐波辐射的效果。通过测试分析,证明了该有源天线在无线通信发射系统中的可行性和优越性。

6～18GHz宽带功率放大器模块

研究了ＧａＡｓ功率ＭＥＳＦＥＴ的小信号特性、大信号特性和其宽带匹配网络。选用ＴＷＴ－２型功率器件，设计研制出了单级宽带功率放大器。在６～１８ＧＨｚ的工作频率范围内，小信号增益等于５．０±１．０ｄＢ，１ｄＢ压缩输出功率等于２５．０±０．８ｄＢｍ，输入输出驻波比小于２．５。

宽带Doherty功率放大器的理论和设计

从Doherty功率放大器的基本原理出发,导出Doherty功率放大器设计的关键参数α,并给出该参数同系统信号的峰均比、主峰管之间的功率比、功率放大器阻抗参数之间的关系。根据对该参数的物理关系及传统Doherty功率放大器架构对带宽的限制性因素的研究,探索出一种提升传统Doherty的设计理论和方法,并在工程上进行了验证。

宽带固态功率放大器的设计及实现

宽带固态功率功率放大器是固态发射机中的关键部件,广泛应用于软件无线电电台、有源相控阵雷达、综合化航空电子设备等领域中。以一款新研制的S波段宽带固态功率放大器为例,介绍了超宽带固态功率放大器的设计理论和方法,并用微波仿真软件ADS对功率管的输入、输出阻抗匹配电路及其偏置电路进行优化仿真设计。通过制作并测试此放大器,验证了该设计方法的可行性。最后,给出了测试数据它在2GHz～4 GHz的频带范围内,输入功率为25mW时,输出功率大于10W,带内功率起伏小于1.5dB。

针对宽带功率放大器设计的人工神经网络算法

为了实现准确快速设计宽带匹配网络的目的,提出了基于人工神经网络设计宽带高效功率放大器的新方法。通过对匹配网络及晶体管阻抗特性的分析,借助人工神经网络对功率放大器的匹配网络进行建模。结合训练模型与优化方法设计宽带匹配网络初值,在指定的频带内满足晶体管最优阻抗随频率变化的曲线。选择商用的氮化镓高电子迁移率晶体管,分别设计了六阶低通网络为输入和输出匹配网络,实现了一款工作在0.2~1.6GHz的宽带高效率功率放大器。仿真结果表明,在0.2~1.6GHz(轴比带比约为156%)的带宽范围内,功率放大器达到64.5%~80.5%的漏极效率,输出功率为40.0~41.6dBm,频带内增益为11.1~12.6dB。该方法提升了宽带功率放大器匹配网络的设计速度与准确性。

功率放大器的宽带增益补偿技术及应用

本文设计了一个频率范围为1GHz^10GHz的宽带功率放大器。这种宽带微波功率放大器的频率范围和发射功率都考虑到经济和器件的因素,本放大器采用三级级联的方式获取1W的功率输出,设计中采用宽带增益补偿网络技术。

一种S波段E类GaN HEMT功率放大器设计

并联电路E类功率放大器(PA)具有结构简单和高效的优点,因而被广泛应用。针对并联电路E类PA存在带宽较窄、效率较低的问题,对其输出匹配网络提出了一种改进方案。采用混合式π型结构作为PA的输出匹配网络,在较宽的工作带宽内完成了最佳阻抗与标准阻抗的转换,有效地抑制了二次谐波分量,提高了电路的效率。为了验证所提出理论的有效性,基于0.25μm GaN HEMT工艺设计了一种结构简单、高效率和高功率的单片集成E类功率放大器。版图后仿真结果表明,在2.5~3.7 GHz工作频率范围内,输出功率大于40 dBm,功率附加效率为51.8%~63.1%。版图尺寸为2.4 mm×2.9 mm。