论文总字数：29434字

摘 要

Abstract - 2 -

第一章 绪论 - 3 -

1.1 课题背景 - 3 -

1.2 多模多频技术概论及其实现方案 - 3 -

1.2.1 多模多频技术应用系统标准简述 - 3 -

1.2.2 多模多频发射机的实现方案 - 4 -

1.3 目前的研究现状 - 5 -

1.4 本课题的研究工作及论文安排 - 6 -

1.5 本章小结 - 6 -

第二章 功率放大器设计中的器件模型 - 7 -

2.1 SiGe HBT器件模型 - 7 -

2.1.1 Ebert-Moll BJT模型 - 7 -

2.1.2 SPICE Gummel-Poon模型 - 8 -

2.1.3 VBIC模型 - 8 -

2.1.4 Mextram模型 - 9 -

2.2 无源器件模型 - 10 -

2.2.1 集成无源元件模型 - 10 -

2.2.2 分立无源元件模型 - 11 -

2.3 本章小结 - 13 -

第三章 功率放大器的理论知识与设计基础 - 14 -

3.1 常见功率放大器的分类 - 14 -

3.1.1 线性功率放大器 - 14 -

3.1.2 非线性功率放大器 - 16 -

3.2 不同类型功放的性能对比 - 17 -

3.3 功放的主要性能指标 - 18 -

3.3.1输出功率 - 18 -

3.3.2 带宽及功率增益特性 - 18 -

3.3.3 线性度 - 19 -

3.3.4稳定性 - 20 -

3.3.5 效率 - 21 -

3.3.6输入输出电压驻波比 - 21 -

3.4 宽带功率放大器的设计流程 - 21 -

3.5 宽带功率放大器的设计要点 - 22 -

3.5.1 宽带功率放大器的设计难点 - 22 -

3.5.2 宽带功率放大器设计的主要仿真方法 - 24 -

3.6 本章小结 - 24 -

第四章 0.8-2.1GHz宽带功率放大器的设计 - 25 -

4.1 宽带功率放大器设计指标 - 25 -

4.2 0.13m SiGe HBT工艺概述 - 25 -

4.3 功率放大器的设计过程 - 26 -

4.4 电路拓扑结构的选择 - 26 -

4.5 电源电压的选择 - 29 -

4.6 确定晶体管尺寸 - 30 -

4.7 偏置电路的设计 - 31 -

4.8 稳定性的设计 - 32 -

4.9 匹配网络的设计 - 33 -

4.9.1 低值多级匹配方法 - 33 -

4.9.2 各模块匹配网络的实现 - 34 -

4.9.3 输入匹配网络的设计 - 35 -

4.9.4级间匹配网络的设计 - 36 -

4.10 仿真结果 - 36 -

4.11 本章小结 - 40 -

第五章 总结与展望 - 41 -

参考文献 - 42 -

致谢 - 44 -

摘要

随着无线通信技术，移动互联网以及物联网技术的快速发展，越来越多的协议标准相应诞生。同时集合多种系统，兼容多种协议标准的多模多频技术成为研究的热门。本文正是基于这个大背景，对移动设备中的功率放大器进行重点研究与设计，实现可覆盖于GSM、TD-SCDMA，WLAN以及RFID四个应用系统。

本文采用了0.13m的SiGe HBT工艺进行设计，工作带宽为0.8-2.1GHz。为了获得较大的线性度以及输出功率，采用两级级联的差分结构，同时驱动级与功率级分别工作在A类，AB类放大模式。由于放大器是宽带放大器，因此输出匹配网络采用最佳功率匹配，并采用负载线牵引仿真，以保证获得最大的输出功率；输入匹配网络以及级间匹配网络均采用共轭匹配，在高频处匹配，低频处适量失配的匹配补偿技术，以获得较为平坦的增益。为了提高整体效率，采用电流镜偏置电路，使得电路能对电流变化以及温度变化进行自适应调节。

设计完成后仿真结果显示，最大增益在0.95GHz处达到 25.828dB；3dB带宽为0.695-2.48

GHz ；1dB压缩点大于26.4dBm，对应的附加功率增益大于22%；最大输出功率大于29.5dBm，对应的附加功率增益大于38%；整个工作频段内电路均稳定；输入电压驻波比小于2.5。

关键词：宽带功率放大器，SiGe HBT，宽带匹配

Abstract

With the rapid development of wireless communication technology, mobile internet networking and the internet of things, the increasing numbers of protocol standard was followed. The multi-mode multi-frequency technology, which can integrate various systems and suit for various standard, has become a popular research topic. Under this circumstance, the paper focuses on power amplifier (PA) of mobile devices, applying for four systems at the same time, GSM, TD-SCDMA, WLAN and RFID.

The PA works in 0.8-2.1GHz, with 0.13m SiGe HBT. In order to gain better linearity and output power, a two-stage differential structure is designed. The first stage works in A amplifier mode, and the second in AB mode. Because of the wide-band PA, the best power matching and load-pull simulation is chosen in output matching circuit, to reach the most perfect output power. Conjugate matching structure is accepted in input and connection matching circuit, matching at higher frequencies and a bit mismatch at lower frequencies to obtain flat gain. To improve the overall efficiency performance, an adaptive bias control circuit with a circuit mirror, which is able to adjust to voltage and temperature automatically, is used to provide bias current of the power transistor.

The simulation result shows that, the biggest gain reach 25.828dB at 0.95GHz; 3dB band width is 0.695-2.484GHz; The output 1dB compression point is larger than 26.4dBm, with the relative power added efficiency (PAE) better than 22%; The saturation output power is more than 29.5dBm, with PAE better than 38%; The circuit is stable during the whole working band, and input VSWR is less than 2.5.

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