【摘要】：現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)正在向第五代通信系統(tǒng)演進,無線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展一方面為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率,調(diào)制信號的帶寬和峰均比越來越大,另一方面由于多頻多模的通信系統(tǒng)地不斷增加,無線通信系統(tǒng)需要覆蓋更寬的頻率范圍。功率放大器作為無線通信發(fā)射機中最重要的關(guān)鍵部件之一,面臨著帶寬、效率、線性度的多方面的挑戰(zhàn)。本文圍繞Doherty功率放大器和動態(tài)供電功率放大器兩條主線,對于無線通信系統(tǒng)中的功率放大器進行深入的研究,進一步拓寬功率放大器的帶寬,提升功率回退時的效率。本文的主要工作和成果如下:一、提出了一種雙變換簡易實頻技術(shù)的優(yōu)化方法,并應用于2.2-3.7 GHz寬帶Doherty功率放大器的研制中。該方法采用廣義驅(qū)動點函數(shù)和聯(lián)合誤差方程,去除了傳統(tǒng)Doherty放大器設(shè)計中的相位補償線,達到載波和峰值放大器的聯(lián)合設(shè)計,可以同時實現(xiàn)功率回退和飽和狀態(tài)的雙阻抗變換,拓展了Doherty功率放大器的帶寬。測試結(jié)果表明,設(shè)計的Doherty功率放大器在1.5 GHz的工作頻帶內(nèi),飽和輸出功率超過43 dBm,6-dB功率回退效率達到45%-53%。在80 MHz帶寬LTE-A信號的激勵下,經(jīng)過數(shù)字預失真后,該放大器能夠保持46.7%的平均效率的同時,相鄰信道泄露比(Adjacent Channel Leakage Ratio,ACLR)優(yōu)于-51 dBc。上述研究成果已在國際核心期刊IEEE Access上發(fā)表。二、提出并研制了一種增強帶寬的同時雙頻Doherty功率放大器。首先分析了載波和峰值阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的相位對于同時雙頻Doherty放大器帶寬的影響;然后,采用最小相位延遲網(wǎng)絡(luò),同時通過恰當?shù)剡x擇載波和峰值阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的相位關(guān)系,同步拓展了Doherty放大器兩個工作頻帶的帶寬;最后,采用后匹配技術(shù)優(yōu)化合路點阻抗,進一步優(yōu)化了Doherty放大器在功率回退和飽和時的性能。測試結(jié)果顯示,設(shè)計的Doherty放大器,在2.0-2.4 GHz和3.2-3.6GHz各自400 MHz的工作頻帶內(nèi),飽和輸出功率超過44dBm,6-dB功率回退效率達到52%-57%,飽和效率達到65%-71%。上述研究成果已在國際核心期刊Int.J.RFMicrow.Comput.Aided Eng.上發(fā)表。三、對于高效率包絡(luò)跟蹤(Envelope Tracking,ET)功率放大器展開研究。首先設(shè)計了一個數(shù)字輔助控制的串聯(lián)型開關(guān)線性混合的ET電源調(diào)制器,通過優(yōu)化階梯波的輸出電壓,提高了電源調(diào)制器的效率;然后,采用合適寬度的四分之一波長線的饋電方式,優(yōu)化了射頻放大器在低頻時的響應,設(shè)計了一個1.3-2.3 GHz的25 W高效率射頻功率放大器;最后,利用ET電源調(diào)制器和射頻功放,構(gòu)建了一臺高效率ET功率放大器。測試結(jié)果表明,該ET功放在10 MHz帶寬LTE信號的激勵下,在9-dB功率回退時,平均效率為41.7%,相比于恒壓供電時,效率提升了14.5%,經(jīng)過數(shù)字預失真后,ACLR優(yōu)于-46 dBc。上述研究成果已在2015年Asia-Pacific Micro.Conf.(APMC)上發(fā)表,部分研究成果以共同作者的形式發(fā)表在國際核心期刊IEEE Trans.Microw.Theory Tech.上。四、對于寬帶供電調(diào)制類(Supply Modulated,SM)功率放大器展開研究。通過簡化ET電源調(diào)制器的結(jié)構(gòu),設(shè)計了一個四分離電平的全模擬SM電源調(diào)制器,配合1.4-2.1GHz的60 W射頻功放,構(gòu)建了一臺寬帶SM功率放大器。為了優(yōu)化此SM功放,提出了一種基于真實偏差電壓控制的新型包絡(luò)束型方法和一種基于最小脈寬保持的降低電源開關(guān)頻率的方法。經(jīng)過優(yōu)化后,在40 MHz帶寬峰均比為8 dB的LTE-A信號激勵下,SM功放實現(xiàn)超過40%的平均效率的同時,電源調(diào)制器的峰值開關(guān)頻率可以降低4倍。上述研究成果發(fā)表國際核心期刊Electron.Lett.和2018年的IEEE Int.Wireless Symp.(IWS)中。五、提出并研制了兩種可重構(gòu)的Doherty功率放大器。一為輸出功率可重構(gòu),通過使用兩電平電源調(diào)制器來改變Doherty放大器的漏極電壓,實現(xiàn)高低兩個功率狀態(tài)的可重構(gòu),相比于傳統(tǒng)的Doherty功放,在低功率狀態(tài)時,功放效率提升了8.1%。二為回退范圍可重構(gòu),通過MEMS射頻開關(guān)改變峰值輸出匹配網(wǎng)絡(luò)相位的方法,實現(xiàn)了Doherty放大器可以在6-dB和9-dB兩個功率回退范圍進行切換。上述研究成果發(fā)表在2017年的32nd Gen.Assem.Sci.Symp.Int.Union Radio Sci.(URSI GASS)中,部分研究成果以共同作者的形式發(fā)表在國際核心期刊Wireless Commun.Mobile Comput.上。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN722.75
【圖文】：

4G LTE) 到未來 5G 通信系統(tǒng)，還需要經(jīng)歷一個逐漸演進的過程[3;4]。如圖1.1所示，其間還包括 LTE 升級版 (LTE-Advanced, LTE-A)，LTE 升級專業(yè)版 (LTE-AdvancedPro, LTE-A Pro) 的系統(tǒng)迭代。系統(tǒng)的迭代一方面伴隨著無線傳輸速率的不斷提升，在LTE-A Pro 系統(tǒng)標準中達到下行 1 Gbps 的傳輸速率[5]。另一方面，隨著載波聚合 (CarrierAggregation, CA)[6]，單載波頻分多址 (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access,SC-FDMA)[7;8]，正交頻分復用 (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM) 等技術(shù)的不斷應用[9]，移動通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘枎捲絹碓酱�，峰均�?(Peak-to-AveragePower Ratio, PAPR) 越來越高。表1.1給出了國內(nèi)無線通信系統(tǒng)部分的頻率劃分情況。由表可得

圖 2.1: 放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)原理圖。y 功率放大器的整體性能就受到了影響。此之外，借助于計算機輔助設(shè)計 (Computer-Aided Design, CAD) 的優(yōu)化技術(shù)（Bayesian）優(yōu)化[107]、簡易實頻技術(shù)(SimplifiedRealFrequencyTechnique,S始應用到 Doherty 放大器的設(shè)計中，用以拓展帶寬。在文獻 [108] 中，通來設(shè)計載波和峰值輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，Doherty 放大器的帶寬得到了拓展。然而，載波和峰值輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是分開進行優(yōu)化的。并且，Doherty 放大器只飽和輸出功率狀態(tài)之一進行優(yōu)化，需要引入額外的補償線來調(diào)整另一個狀了 Doherty 放大器的性能。因此，急需拓展現(xiàn)有的優(yōu)化方法來進一步拓展大器的帶寬。SRFT 方法回顧RFT 借助于 CAD 可以有效的處理復阻抗到復阻抗的匹配問題[109 111]，已經(jīng)[112 117]

個優(yōu)化程序來進行全局優(yōu)化。2.3.1 Doherty 功率放大器的阻抗分析Doherty 功率放大器的輸出匹配結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。它包含載波和峰值輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，以及合路點的負載 ZL。在回退功率狀態(tài)，在一般的 Doherty 放大器分析中認為峰值輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗 ZP,OMN,BO無窮大。但是，在寬帶 Doherty 放大器設(shè)計中，由于傳輸線的相位變化，使得無窮大的 ZP,OMN,BO是不能成立的。在回退時，載波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)看到的合路點阻抗可以表示為：ZC,OMN

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10 曾榮;周R

本文編號：2771525