基于无线通信的功率放大器及谐振器的研究

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随着人们对无线通信技术的需求不断增加,无线收发系统也就面临着更高的要求。在无线收发系统中,功率放大器将小的调制信号放大至足以被天线辐射出去的功率,谐振器则是重要的频率选择器件,也是滤波器的基本结构,扮演着对有用信号提取,抑制噪声和杂波的重要角色。无论是功率放大器还是滤波器都是无线收发系统中不可或缺的一部分,其性能的好坏都直接影响着整个系统。因此,提升它们的性能对提升整个系统的性能具有重要的意义。近年来,人们对高品质的通信需求以及激增的业务种类导致信号的调制方式复杂化,而复杂的调制方式会导致信号峰均比过高,直接导致功率放大器效率的下降。而谐振器是滤波器的重要组成部分,而无源滤波器又是通信系统中的关键频率选择组件,其体积和频率响应特性将显著影响整个系统的性能。因此如何提升功放的能量效率,实现高输出功率、高增益、高效率以及实现谐振器的小型化设计成为了炙手可热的问题。另外,目前我国芯片设计和制造水平仍与国外有一定的差距,很多芯片依然依赖于进口。针对这几个方面,加大对无线收发系统中功率放大器和谐振器芯片的设计研究显得尤为重要。本文具体研究内容如下:(1)利用并联晶体管技术以及自适应偏置技术进行功率单元的设计分析。输出级功率单元采用12个晶体管并联来提高功率放大器的输出功率,驱动级则采用4个晶体管并联。充分考虑Ga As HBT器件本身的特点,利用改进型威尔逊电流镜进行自适应线性化偏置电路设计,完成功率放大器输出级功率单元及驱动级功率单元的仿真设计优化。(2)在此基础上根据项目的需求,针对无线通信中两个重要频段2.4GHz和5.8GHz设计了两个功率放大器。结合设计指标采用两级级联的方式,2.4GHz频率下最终在1d B压缩点处,实现27.228d Bm的输出功率、35.788d B的增益、37.488%的效率,五次谐波抑制均小于-30d Bc。5.8GHz频率下最终在1d B压缩点处,实现29.063d Bm的输出功率、25.323d B的增益、40.572%的效率,五次谐波抑制均小于-30d Bc。最后对两个频段下功率放大器性能进行对比分析。(3)利用宽边耦合分布电容进行片上谐振器设计,有效的减小了谐振器的面积,同时建立了集总参数模型进行分析,通过改变分布式电容的物理尺寸,可以在指定的频率下产生谐振。基于0.13-μm(Bi)-CMOS工艺进行谐振器设计及测试,最终在47GHz处产生谐振,芯片尺寸仅为0.176×0.149mm2。本文所提出的2.4GHz及5.8GHz的功率放大器均满足工作要求,通过查阅文献,该功率大器的指标基本达到国内外该频段的功放指标,对今后功率放大器研究设计具有一定的工程参考价值。利用宽边耦合分布电容进行的片上谐振器设计也满足工作需求,可以应用于今后毫米波频段滤波器设计中。
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