GaAsHBT單片微波寬帶功率放大器的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、寬帶功率放大器作為多標(biāo)準(zhǔn)射頻通信前端系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是下一代無(wú)線通信技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。寬帶功率放大器的諧波頻率由于落在鄰近工作信道內(nèi)而很難進(jìn)行濾除，因此寬工作頻帶內(nèi)的高線性度要求是寬帶功率放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。同時(shí)，由于自偏置效應(yīng)導(dǎo)致功率放大器的輸入輸出阻抗隨著輸入功率的大小而變化，因此在不同的輸入功率下均保持寬帶低反射系數(shù)是寬帶功率放大器設(shè)計(jì)的另一難點(diǎn)。本論文面向1.8-4.0GHz內(nèi)無(wú)線通信應(yīng)用特點(diǎn)和指標(biāo)要求，分別從器件結(jié)構(gòu)與解析

2、模型、線性化技術(shù)、寬帶匹配技術(shù)以及電路實(shí)現(xiàn)等方面對(duì)1.8-4.0GHz寬帶功率放大器展開(kāi)研究，主要的工作及創(chuàng)新如下:
　　(1)基于功率放大器器件級(jí)的非線性特性分析和Gummel-Poon直流靜態(tài)解析模型，建立了一種基于傅里葉分析的Gummel-Poon交流大信號(hào)解析模型，采用發(fā)射結(jié)為40μm2的InGaP/GaAs HBT進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算，結(jié)果表明在器件飽和之前該大信號(hào)模型計(jì)算得到的大信號(hào)參數(shù)與測(cè)試結(jié)果的誤差不超過(guò)3％，基于該模型

3、分析了InGaP/GaAs HBT的跨導(dǎo)、基極-發(fā)射極電容以及基極-集電極電容在不同偏置狀態(tài)下隨輸入功率改變的非線性特性。
　　(2)基于功率放大器電路級(jí)的非線性特性分析和預(yù)失真線性化原理，構(gòu)建了一種基于飽和偏置的寬帶預(yù)失真線性化電路，采用該電路設(shè)計(jì)了一個(gè)DC-4GHz寬帶驅(qū)動(dòng)功率放大器。測(cè)試結(jié)果表明:該放大器的1dB壓縮點(diǎn)輸出功率(P1dB)達(dá)到了23dBm，平均三階交調(diào)點(diǎn)輸出功率(OIP3)達(dá)到了35dBm，同時(shí)P1dB和OI

4、P3在DC-4GHz范圍內(nèi)的變化不超過(guò)4dB，其波動(dòng)范圍比傳統(tǒng)寬帶驅(qū)動(dòng)功率放大器要小66％，實(shí)現(xiàn)了在寬帶范圍內(nèi)對(duì)功率放大器非線性的預(yù)失真補(bǔ)償。
　　(3)基于功率放大器阻抗的大信號(hào)變化特性和行波傳輸匹配原理，提出了一種階梯型行波傳輸寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，采用該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個(gè)DC-12GHz寬帶可變?cè)鲆娣糯笃?。測(cè)試結(jié)果表明:在DC-12GHz范圍內(nèi)，該放大器S21的可調(diào)整范圍是-15dB到15dB，S11和S22在整個(gè)頻帶內(nèi)都分別在-15d

5、B和-10dB以下，且隨偏置電流改變的波動(dòng)很小，實(shí)現(xiàn)了放大器在寬帶范圍內(nèi)高穩(wěn)定的低反射特性。
　　(4)綜合以上分析設(shè)計(jì)方法，基于2μm InGaP/GaAs HBT工藝，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款1.8-4.0GHz寬帶功率放大器。該放大器芯片面積為1.5mm2，在1.8-4.0GHz頻率范圍內(nèi)，該放大器功率增益為30.5dB;在-30～0dBm的輸入功率下，輸入/輸出反射系數(shù)分別在-15dB和-10dB以下;在1.9GHz，對(duì)于5MHz

6、信道間隔的WCDMA調(diào)制信號(hào)，其ACPR低于-43dBc@27dBm;在2.4GHz，對(duì)于20MHz64QAM的WLAN調(diào)制信號(hào)，其EVM要低于-27dB@24dBm;在3.6GHz，對(duì)于64-QAM-1/2的WiMAX調(diào)制信號(hào)，其EVM低于-26dB@20dBm。
　　論文基于以上工作，實(shí)現(xiàn)了功率放大器在1.8-4.0GHz范圍內(nèi)的高線性度和不同功率下的寬帶低反射系數(shù)，滿足寬帶多標(biāo)準(zhǔn)射頻前端系統(tǒng)工作的指標(biāo)要求，可同時(shí)應(yīng)用于WCD