基於實頻技術的高效率寬頻功率放大器研究

《基於實頻技術的高效率寬頻功率放大器研究》是依託電子科技大學,由何松柏擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於實頻技術的高效率寬頻功率放大器研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：何松柏

項目摘要

在軍用雷達通信系統、空間微波傳輸系統和下一代無線通信系統中，功率放大器面臨同時具備高效率和寬頻寬的挑戰。為了解決高效率寬頻微波固態功率放大器中的頻寬匹配問題，本項目擬通過建立和分析GaN寬禁帶半導體器件的物理模型，掌握GaN電晶體在倍頻程甚至更寬的頻寬內的基波阻抗和二次及三次諧波阻抗分布特徵；掌握GaN電晶體在各類信號驅動下的交調失真機理並進一步提出交調失真最佳化方案。隨之根據GaN電晶體阻抗特性，採用實頻分析技術構建最佳匹配網路結構，並利用基於左右手複合材料的低通匹配網路的技術方案實現高效率寬頻功率放大器。最後通過實驗驗證高效率寬頻功率放大器的可行性，並聯合預失真技術製作可用於TD-LTE通信的發射機演示樣機。初步的仿真數據表明，對於Cree公司的CGH40010 GaN電晶體，在2-4GHz的工作頻帶內可以保持附加效率高於50%，帶內波動小於2dB。

結題摘要

本項目圍繞提高固態功率放大器的頻寬、效率和線性開展了系統性研究。頻寬、效率和線性作為功率放大器最重要的三個方面，其特性相互制約。針對這一難題，本研究採用非線性電路理論方法，分析電晶體的非線性特徵，完善電晶體的非線性模型，利用諧波控制改進電晶體的輸出波形，最後通過實頻技術綜合出匹配網路。研究結果表明，本項目相關工作可以顯著提高功率放大器的頻寬、效率和線性，相應學術成果已發表在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、IEEE Transactions on Circuits and Systems等國際期刊，得到國內外同行高度好評，並與華為、愛立信等業界知名廠商合作，將研究成果套用於4G、5G無線通信基站。 在功率電晶體非線性特徵分析的研究方面，基於電晶體的非線性等效模型，分析並仿真驗證了功率放大器的諧波成分以及偏置條件對線性度的影響，得到了兼顧效率與線性的阻抗條件，提出了通過諧波調諧實現高效率線性功率放大器的解決方案。 在實頻技術匹配網路綜合的研究方面，提出了擴展的切比雪夫函式（準切比雪夫函式），使得在相同阻抗轉換比和阻抗函式階數的情況下，可產生一族準切比雪夫曲線，從這一族阻抗函式中移出的第一個元件值分布在較大的數值空間內，合理選擇該元件值，就能使電晶體的輸出等效阻抗作為匹配網路的一部分，從而使得所選擇的阻抗函式滿足功率放大器的阻抗匹配要求。 在諧波控制對功率放大器性能影響的研究方面，系統分析了諧波成分如何決定功率放大器的輸出功率、頻寬和效率，給出了具體的阻抗數值解空間，提出了多種基於諧波控制的連續型寬頻高效率功率放大器解決方案，並將連續型功率放大器套用於Doherty功率放大器的設計之中，總結出了連續型Doherty功率放大器的設計方法，在保證高效率的前提下，有效地拓展了Doherty功率放大器的頻寬和動態範圍。