Ku波段基于GaN HEMT Doherty功率放大器的研究

【摘要】本文研究了一款应用于卫星通信的Ku波段Doherty功率放大器。功率放大器功耗在整个卫星通信系统中所占比例很大，并且在大信号工作下呈非线性特性，因此，提高功率放大器的效率和改善其线性度一直都是功率放大器设计人员的永恒的课题。Doherty功率放大器采用功率回退来达到线性度的要求，但是在功率回退的过程中，功放效率减少的不是很大，从而在保证线性度的同时达到了较高的效率。论文首先对Doherty功率放大器的设计方法，卫星通信频段，第三代半导体材料GaN进行了调研，归纳总结了国内外Doherty功率放大器的发展现状。其次介绍了功率放大器的工作状态分类和主要性能指标。其次对设计中所用有源器件TriQuint公司生产的0.25mTGF2023-02GaNHEMT功放裸管进行等效电路模型参数提取，并对所建立的模型进行负载牵引仿真（loadpull），得出最优负载阻抗，通过与管子datasheet提供的最优负载阻抗进行比对发现两者较为一致，验证了模型的准确性。然后对设计中用于连接晶体管管芯的键合线和用于连接键合线的部分微带线在HFSS软件中进行了电磁场仿真和优化，得到了键合线和部分微带线准确的无源元件模型仿真数据，其为后面设计准确稳定的匹配电路提供了很大的方便。在以上基础上设计了两款基于GaNHEMT的工作频率都为14～14.5GHz的功率放大器，一个采用Doherty结构，另一个采用平衡式结构，并对Doherty和平衡式结构的两种功率放大器的仿真结果进行了对比和分析。论文主要使用ADS软件和HFSS软件仿真设计了14～14.5GHz的Doherty功率放大器，该功率放大器的整个电路采用两级级联结构，前级为驱动级，后级为功率级，功率级采用Doherty结构。经过对原理图和版图的仿真和优化，14～14.5GHz的Doherty功率放大器的小信号增益高于19dB，输入/输出驻波比小于1.3。在大信号情形下，输出功率大于12W，功率增益大于15dB，功率附加效率（PAE）高于45%，在功率回退6dB的情况下，该Doherty功率放大器的PAE依然可以达到38%。同样工作频带的平衡式功率放大器在大信号工作模式下，饱和状态时的PAE近42%，但功率回退6dB后，PAE降为25.5%。在Ku波段这样的高频段，本文设计的Doherty功率放大器的PAE比平衡式高出12.5个百分点，显示出了本设计的Doherty功率放大器优越的性能。仿真结果表明，设计的Dohery功率放大器实现了预期的指标。在加工测试时，论文先将整个Doherty功率放大器的功率级的主功率放大器加工成实物，并用AltiumDesigner软件设计了加电顺序保护电路，在实物测试时有效地保护了管子，最后基于主功放电路的尺寸，在确保不产生自谐振频率的前提下用AutoCAD软件设计了用于测试功率放大器，并起到电磁屏蔽和散热效果的屏蔽盒，最后对整个主功放模块进行了测试，并对仿真和测试结果分析，整个Doherty功放电路可在分析和总结的基础上进行相应调整，从而能够确保后续加工出来的整个Doherty功率放大器达到很好的性能。
【作者】张弦；
【导师】程知群；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】GaNHEMT；Doherty功率放大器；建模；Wilkinson功分器；保护电路；

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