500MHz--3000MHz中频放大电路设计(2)

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2.5.2 大信号负载牵引优化设计法 .. 14

2.6 本章小结 .. 16

第 3 章 MMIC 功率放大器电路的设计 . 17

3.1 设计目标及流程 . 17

3.2 偏置电路的设计 . 19

3.3 匹配电路的设计 . 21

3.4 第二级放大器的设计 .. 25

3.5 第一级放大器的设计 .. 29

3.6 两级放大器级联设计 .. 31

3.7 版图设计与仿真验证 .. 33

3.8 本章小结 .. 39

第 4 章 MMIC 功率放大器模块的测试以及结果分析 40

4.1 PCB 板的制作和芯片的粘接 . 40

4.2 直流工作点的测试 42

4.3 小信号 S 参数的测试 44

4.4 本章小结 .. 46

结论 .. 47

参考文献 49

致谢 .. 50
第 1 章绪论 1.1 MMIC 功率放大器的发展前景为满足第四代数据传输服务的需要，无线通讯业已经开始向 LTE 迅猛发展。虽然某些地区不同的标准将仍将继续存在，但是世界上绝大多数的无线运营商将依赖 LTE 作为他们 4G 平台的所有或相当大的组成部分。单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuits, MMIC）功率放大器作为对信号进行放大的重要部分，要求能够经常工作在一个较低的功率水平并且低功率等级下不会降低线性度，否则将会产生杂散信号和带内交调使原信号的探测变得困难从而导致传输质量下降。保持功率放大器的高峰值平均功率比（Peak-to-Average Power Ratio, PAPR）能够保证数据传输的质量。
所以，针对 4G 通讯系统的功率放大器（Power Amplifier, PA）设计主要围绕高效率、高线性度和小尺寸这三个方向发展：首先效率高，且在各个功率等级都提高效率，能改善匹配网络的损耗，可以延长电池的使用时间或者增加更长的通话时间。二是高线性度，4G 的传输速率要比 3G 高得多，非常大数据量的快速传输需要高线性度的保证，对功率放大器的线性度要求更高。三是多频系统导致器件繁复，进一步缩小尺寸十分重要。此外，在功率放大器性能提升、尺寸缩小和高度集成的同时，通过创新而不断下降成本，将是在激烈的竞争中赢得市场的重要手段。国际芯片厂商一致选择了具备更高效率和绝缘性以及更低谐波和接收频噪音的砷化镓材料射频功率放大器为研发的主流方向。在大部分无线网络设备和高端手机领域，GaAs 才是主流技术，因为只有它才满足系统对功率放大器性能的严苛要求。 GaAs HBT 器件的功率密度（power density）、线性度（linearity）和电流推动能力（current drive capability）均超过 FET，非常适合设计高功率、高效率、高线性度的微波放大器，另外在高功率密度、高跨导、线性度、崩溃电压与相位噪声等方面占有优势，并且由于是单电源供电，因此可以简化电路设计与实现的难度，十分适合于射频及中频收发模块的研制，特别是微波信号源与高线性放大器等电路。 1.2 GaAs HBT 功率器件的发展早期的源]自=751-^论-文"网·www.751com.cn/ GaAs HBT 功率器件研究主要集中在 AlGaAs/GaAs HBT 上，1985 年美国首次报道了 AlGaAs/GaAs HBT 功率放大器性能，在工作频率 3GHz 以下，增益为 7dB，输出功率 320mW，功率附加效率（Power-add efficiency, PAE）为 30%。从 90 年代初开始，InGaP/GaAs HBT 成为研究热点。1994 年 William Liu 等设计了 InGaP/ GaAs HBT MMIC 功率放大器，首次介绍了其大功率性能，X波段输出功率 9.9W，PAE 为 30%。2001 年 Noh, Y.S. 等设计了 InGaP/ GaAs HBT 功率放大器，采用线性有源偏置电路，工作于 PCS/WCDMA 双频段，增益为25.5(24.5) dB ，输出功率 28(28) dBm ，功率附加效率为 43(37) % 。 2006 年Chien-Chang Huang 等设计了 InGaP/ GaAs HBT 功率放大器，采用两级级联结构，工作频率 2.4GHz，采用镜像电流源作为放大器偏置电路，增益 18.1dB，输出功率 26.5dBm，功率附加效率为 39.3%。2007 年 Tohru Oka 等设计了 InGaP/ GaAsHBT 功率放大器，采用三级级联结构，工作频率 5-6GHz，采用自适应线性偏置电路，在输入端加二极管来改善线性度，增益为 23dB，输出功率 21-22dBm。2008 年 J. Jeon 等对 GaAs HBT 自适应偏置电路进行了改进，增加了温度补偿结构，可以有效改善工作点随温度的漂移。2010 年 Kyunggon Choi 等分析了偏置电路对功率放大器 IMD3 的改善作用，来改善线性度，放大器工作频率 900MHz， 1dB 压缩点输出功率为 29.4dBm， OIP3 为 48.7dBm。 2011 年 Wenlong Ma 等设计的 InGaP/GaAs HVHBT MMIC 在 750-960MHz 工作时，输出功率为 47dBm，增益为 31dB，集电极的效率达到了 65%。2012 年 Kwangchan Lee 等设计的InGaP/GaAs HBT 功率放大器工作在 3.6GHz 时输出功率达到 28dBm，增益为38.6dB，功率附加效率为 12.5%。