2.5-GHz低压高效率射频功率放大器设计

论文总字数：26290字

摘 要

射频功率放大器在现代社会的各个领域都有着极为广泛的应用。从手机，到地球轨道同步卫星，射频功率放大器都在这些设备内部都起到决定发射信号大小的作用。

射频功率放大器负责将从接受端输入的小功率射频信号放大后，输出到天线上让其发射出去。放大器的增益决定了输出功率与输入功率之比，这也是衡量放大器放大水平的指标之一。除此之外，还有功率附加效率、漏极效率等衡量放大器能量转换能力的指标。本文设计射频功率放大器的目标就是在供电电压固定在1V的同时，尽可能提升电路效率。本文设计软件采用的是Cadence公司提供的Virtuoso平台进行设计和仿真，利用ADS软件进行阻抗匹配以及查看仿真结果。放大器结构是基于传统的射频功率放大器输入阻抗、放大器、输出阻抗的结构。

在设计出A类功率放大器电路之后，本文根据能测试的结果对电路进行了相应的优化，将功率放大器改为E类，然后将优化前后的功率放大器性能进行对比，并总结了两个电路各自的优劣之处。优化后的功率放大器功率附加效率和线性度都明显提升。

关键词：射频功率放大器，匹配电路，Virtuoso，CMOS

Abstract

RF power amplifiers in all fields of modern society has a very wide range of applications, in radar, wireless communications, navigation, satellite communications and aerospace systems and other systems play a key role.

RF power amplifier is responsible for amplifying the low-power RF signal input from the receiver and outputting it to the antenna for emission. The gain of the amplifier determines the ratio of the output power to the input power, which is one of the parameter to evaluate the amplifier. In addition, there are power additional efficiency, drain efficiency and other parameters to evaluate the energy conversion capacity of the amplifier. The goal of designing RF power amplifiers in this paper is to improve these parameters as much as possible while supply voltage is set at 1V. This design software is Virtuoso platform provided by Cadence to design and simulation, using ADS software for impedance matching and checking the results. In addition to the software, the structure of this amplifier refers to the traditional RF circuit composed by input impedance, transistor and output impedance.

After designing the circuit draft, this paper has modified the circuit into a E type according to better performance of the power amplifier performance test, then compared the performance of the power amplifier before and after the modification, and summarized the advantages and disadvantages of the two circuits. After modification, PAE and linearity of the power amplifier has improved obviously.

Keywords: RF power amplifier, matching circuit, Virtuoso, CMOS

目 录

摘要 I

Abstract III

目 录 V

第一章 绪论 1

1.1 射频功率放大器的发展回顾 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文研究内容及意义 3

1.4 论文组织结构 3

第二章 放大器设计的理论基础 4

2.1 功率放大器的分类 4

2.2 二端口网络的S参数 7

2.3 主要性能指标 8

2.3.1 工作频段 8

2.3.2 增益 8

2.3.3线性度 9

2.3.4输出功率P_o 10

2.3.5效率 10

2.4 smith圆图 11

2.5 SOI工艺 12

2.6 一般设计步骤 12

2.7 本章小结 13

第三章 功率放大器的设计与仿真 15

3.1 设计与仿真软件 15

3.2 晶体管的选择和直流特性仿真 16

3.3 偏置电路 18

3.4 运用Smith圆图进行匹配 18

3.5 负载牵引设计 19

3.6 本章小结 21

第四章 功率放大器的性能测试 23

4.1 测试条件 23

4.2 输入功率扫描分析和优化后对比 23

4.2.1 功率附加效率PAE 23

4.2.2 输出功率Pout 24

4.2.3 输出增益 24

4.2.4 线性度分析 25

4.3 射频功率放大器的效率改善设计 25

4.4 优化后的性能测试 29

4.5 优化前后性能对比 31

4.6 本章小结 31

第五章 总结与展望 32

5.1 总结 32

5.2 展望 32

致谢 33

参考文献 35

绪论

射频功率放大器的发展回顾

当无线通信网络在60年代和1970年代首次开发蜂窝概念时，无线通信网络已经变得非常普遍。无线通信的广泛适应在20世纪90年代中期得到加速，当时全球政府提供了更多的竞争和新的1800-2000MHz频段的个人通信业务（PCS）的无线电频谱许可证。下一代蜂窝网络被设计用于除语音呼叫之外还有助于高速数据通信流量。正在实施新的标准和技术，以允许无线网络在几公里之间的固定点之间取代光纤或铜线。类似地，随着无线局域网的部署，无线网络越来越多地用作家庭，建筑物和办公环境中的电线的替代物。不断变化的蓝牙调制解调器标准承诺在个人工作空间中用不可见的无线连接替换麻烦的家用通信线。

在蜂窝概念的发展之后，各种移动技术得到发展。其中第一代（1G）是第一款移动技术。这些是1980年代引入的模拟电信标准，并持续到2G数字电信取代。 1G网络依赖于模拟系统，而2G网络依赖于数字系统。第一代蜂窝系统完全依赖于FDMA / FDD和模拟FM。 第二代（2G）标准是最受欢迎和常用的蜂窝标准。第二代标准采用数字调制格式和TDMA / FDD和CDMA / FDD多址技术。 第三代（3G）无线系统集中在多媒体服务和互联网数据速率上。这是用于符合国际电信联盟的国际移动电信-2000（IMT-2000）规范的移动设备和移动电信服务和网络的一套标准。 3G在无线语音电话，移动互联网接入，固定无线上网，视频通话和移动电视领域的应用.4G是第四代手机移动通信标准。它是第三代标准的继承者。第四代（4G）系统提供移动超宽带上网，例如带有USB无线调制解调器的笔记本电脑，智能手机和其他移动设备。

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