摘 要

随着移动通信技术的快速增长，人们对通信质量与业务的要求越来越高。功率放大器作为移动通信系统收发机重要部分，设计出高性能的功放对整个通信系统具有重要意义。本设计使用一种高阶低通匹配网络拓扑结构的滤波器设计宽带E类功放。设计中选择了满足设计指标的新型的氮化镓材料晶体管CGH40025，对晶体管进行仿真可以得到宽带E类功放的最佳输出阻抗。通过设计低通网络解决E类功放阻抗匹配问题拓宽带宽，设计宽带滤波器抑制带外高次谐波，为降低电路复杂度，通过设计一个拓扑结构实现匹配网络与滤波器功能。它可以在一个倍频内提供最佳的基波阻抗和谐波阻抗。首先是通过集总参数元件实现的，考虑到实际元件在高频的品质因数，最后使用分布式元件即微带线来实现系统电路。

系统仿真结果表明，在带宽为1.2GHz-2.2GHz范围内功率附加效率大于53%，输出功率增益不低于11dB。

关键词：E类功率放大器；晶体管CGH40025；低通匹配滤波网络；分布式元件；微带线

Abstract

. With the rapid growth of mobile communication technology, people's requirements of communication quality and business are getting higher and higher. Power amplifier, as an important part of transceiver in mobile communication system, designed in high-performance has great significance for the entire communication system. A methodology for designing and implementing broadband Class-E power amplifiers using high-order low-pass matching network topology of the filter has been used in this design. The new gallium nitride material transistor CGH40025 is chosen to meet the indicators in the design, which is characterized to prescribe the best output impedance of broadband class-E amplifier. Designing low-pass network to solve the E-class power amplifier impedance matching problem can broaden the bandwidth, designing broadband filter can suppress out-of-band harmonics. In order to reduce the circuit complexity, we provide only one topology to achieve matching network and filter functions. It provide the best fundamental impedance and harmonic impedance within a multiplier. Firstly, the lumped parameter components are used to design the circuit. Taking into account the actual components’ quality factor in the high-frequency, finally we use distributed components to achieve the system circuit.

The simulation results show that the PAE of the PA system is more than 53% and the output power gain is less than 11dB in the bandwidth of 1.2GHz-2.2GHz.

Key Words：Class E power amplifier; Transistor CGH40025; low-pass matched filter network; distributed components; Microstrip line;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 E类射频功率放大器的研究目的及意义 1

1.2 E类射频功率放大器的研究现状 2

1.3 本设计的主要工作 2

第2章 射频功率放大器设计概述 3

2.1 放大器的主要参数 3

2.1.1 1dB功率压缩点 3

2.1.2 效率 4

2.1.3 功率增益 4

2.1.4 稳定性 4

2.2 射频功率放大器的分类 5

第3章 宽带E类功率放大器的设计 6

3.1 经典的E类功放的理论回顾 6

3.2 宽带E类功率放大器设计方案 7

3.3 宽带E类功放的设计流程 8

3.3.1 器件选择根据 8

3.3.2 静态工作点的选取 9

3.3.3 最佳源阻抗和负载阻抗的选择 10

3.3.4 宽带E类功放匹配网络拓扑的选择 11

3.3.5 宽带E类功放阻抗变换网络的实现 13

3.3.6 集总元件系统电路仿真优化 17

3.4 分布元件实现匹配网络 17

3.4.1 输出匹配网络分布式元件实现 18

3.4.2 输入匹配网络分布式元件实现 18

3.4.3 分布元件系统电路仿真优化 19

3.5 EM仿真优化 19

第4章 宽带E类功率放大器的设计仿真分析 22

4.1 集总元件系统电路仿真分析 22

4.2 分布元件系统电路仿真分析 23

4.3 系统电路版图的EM仿真分析 24

第5章 总结与展望 25

参考文献 26

附录A 27

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 E类射频功率放大器的研究目的及意义

从上世纪八十年代至今，在信息通信领域中无线通信技术应该是其发展速度最快应用范围最广的通信技术。它的发展速度迅猛：目前与我们生活最贴近的无线通信设备手机的网络已经进入4G时代，5G通信标准也正在制定并且全球的通信研究机构都在努力寻找最优解决方案，中国也将预计在2020年实行5G商用，这些通信技术可以给我们提供更高更快的地实时数据服务和多媒体服务；在卫星通信方面比如目前已经很成熟的卫星遥感技术已在军民方面运用，如军用雷达和民用定位，中国北斗卫星系统的部署已经入后期，北斗定位系统已商用等；公路上的ETC（电子不停车收费系统）、生活中的无线路由、运用RFID的身份识别卡等等，我们的生活因为这些无线通信技术而更加美好。但是技术的更新换代就对整个无线通信系统提出了更高的要求，比如在效率、线性度、噪声和带宽等，所以对硬件的电路设计提出了更大的挑战。

本文研究的是射频发射机中的功率放大器，它的输出效率、线性度、正向增益等重要指标在整个系统的性能起着至关重要的作用。功率放大器（PA）是无线通信系统中一个重要的构成部分, 在许多微波和毫米波通信设备的实现中发挥着关键性作用。PA具体应用跨度范围广泛,考虑到多样化的领域,PA的工作状态、技术和设计要求等可能大大不同。但不管其物理实现是什么,PA的任务是在一个给定的频段内对其输入信号的水平提高信号的功率, 使其输出达到一个预期的功率水平。PA设计通常是一个权衡的结果,试图完成一些相互冲突的需求,如线性度和效率或高输出功率和低失真。设计方法的选择取决于工作频率和带宽,提供设备技术,实际应用和许多其他因素。