GaN高效率功率放大器研究.pdf

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垒墨墨2学号：

201111010029密级：

公五分类号：

I鲢Z至2仑肥工学大警HefeiUniversityofTechnology硕士学位论文MASTER，SDISSERTATION论文题目：

鱼剑直筮奎功奎趑太墨巫宜学位类别：

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垒生垒目合肥工业大学学历硕士学位论文GaN高效率功率放大器研究2014年4月ADissertationSubmiRedfortheDegreeofMasterResearchonGaNHighEfficiencyPowerAmplifierBySunShitaoHefeiUniversityofTechnologyHefei，Anhui，ERChinaApril，2014合肥工业大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学学历硕士学位论文质量要求。

答辩委员会签名（工作单位、职称、姓名）ZEJi爷：

合肥工业大学教授侈惭）委员：

中国电子科技集团三十八研究所研究零笋勿万合肥工业大学副教授多f名体合肥工业大学副教授海嵌嵇导师：

学位论文独创性声明本人郑重声明：

所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行独立研究工作所取得的成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金迢王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

对本文成果做出贡献的个人和集体，本人已在论文中作了明确的说明，并表示谢意。

学位论文中表达的观点纯属作者本人观点，与合肥工业大学无关。

学位做作者妣办面移签名日期驯年Q月f日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解佥目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：

除保密期内的涉密学位论文外，学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子光盘，允许论文被查阅或借阅。

本人授权金月墨王些太堂可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库，允许采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：

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6、也澎指导教师签名：

签名日期：

沙C牛年华月叫El签名日期：

伽f论文作者毕业去向工作单位：

联系电话：

通讯地址：

Email：

邮政编码：

时光匆匆，回顾我这近三年时间的研究生生涯，是充实而富有收获的。

首先我要感谢合肥工业大学，这座大学给我提供了幽美的大学环境，去教室上课，去图书馆学习，去篮球场打球娱乐，生活张弛有度，充实而愉快。

毕业后，我想我会怀念工大优美的学习环境，丰富的学习资源。

其次我要对我的导师吕国强教授表示最由衷的谢意。

感谢他接受我进入到光电技术研究院的微波与射频方向进行学习研究。

吕教授给我提供了优秀的学习平台，这里有国内领先的科研水平和实验设备，在研究生期间，我的科研水平和工作能力得到了极大的提高，这很大程度上得益于导师吕教授在学习和科研上对我的淳淳教导。

吕教授对学生的责任感和在院管理上卓越的领导能力一直让我敬佩不已。

然后我要特别感谢蔡斐老师、杨军主任、尹治平老师和桑磊老师。

四位老师在我研究生期间给予了我生活和科研上很多帮助和指导。

尤其是蔡斐老师，在实验室项目完成过程中给我提供了很多具有建设性的指导意见，使我的项目能够顺利圆满的完成。

蔡斐老师严谨的治学态度让我受益颇丰。

还要感谢实验室的每位同学，特别感谢解冰一师兄、章宏师姐、程伟伟师兄、他们给我的科研学习提供了很大的帮助，使我能够迅速成长。

感谢李川I、单云冲、杨路、董必良、付勇、李浩光等同学的合作和帮助，大家互相讨论、互相学习、一起度过了一段充实而美好的时光，这也将使我今生难忘。

当然还要感谢我的父母、妹妹、女朋友，他们是我科研和生活上前进的最大动力，无论在学习还是生活上都给了我无微不至的问候和关心，对他们的责任感使我鞭策自己不断前行。

三年的研究生生涯使当年稚嫩的我增添了一份成熟，我要用实际行动来回报每一位曾经关心帮助过我的人，感谢你们，有了你们，我的人生才完整!

最后，对百忙之中抽出宝贵时间参加论文答辩工作的各位专家教授表示我深深的敬意。

孙世滔2014年3月6日摘要射频功率放大器在无线通信系统的信号发射机中扮演着非常重要的角色，它占据了整个系统85左右的能耗，其工作带宽也在很大程度上决定了系统的工作带宽。

随着现代通信数据的爆发式增长和人们对移动终端的依赖性使用，如何提高效率，延长设备使用时间：

如何扩展带宽，提高数据传送的容量和速度，这两个问题成为射频研究领域的热点。

基于实际应用的需要，本文对射频功率放大器的高效率化和宽带化进行了探索和研究。

本文首先介绍了本课题研究的背景和实际意义，并简要介绍了氮化镓（galliumnitride，GaN）半导体器件、高效率和宽带射频功放在国内外发展现状。

接着阐述射频功率放大器基本理论知识，包括分类、主要技术指标、宽带功放概念，高效率功放相关研究，包括微带线基础理论和阻抗匹配技术，并对高效率功放进行了有关寄生参数的分析。

第四章进行窄带放大器的设计工作，采用建模仿真对功放晶体管输出端非线性电容C。

进行分析，采用一系列改进方法进行了直流偏置电路、谐波控制电路、基波匹配电路的设计与仿真工作，制作出一款高效率窄带放大器，工作频率209219GHz，输出功率40dBm以上，输出效率大于75。

第五章对功放宽带化高效率问题进行研究，对C叫。

建模分析后得出：

利用非线性电容C洲作用能使谐波阻抗高效率区域扩大化。

重点进行了针对宽带功放的直流偏置电路、谐波基波阻抗匹配电路的设计改进工作，制作出一款工作在2-3GHz，输出功率大于40dBm，效率大于65的高效率宽带功率放大器。

关键词：

射频功率放大器；氮化镓（GaN）：

非线性输出电容；高效率；宽带化llABSTRACTRFpoweramplifier（PA）playsaveryimportantroleinthesignaltransmitterofwirelesscommunicationsystemIttakes85powerconsumptionofthewholesystem，whoseworkingbandwidthlargelydependonthePAtooAsmodemcommunicationdataboostsandpeopleusemobileterminalmoreandmoreoften，howtoimproveefficiencytooprolongtheusetimeofequipment,howtoextendworkingbandwidthtoimprovecapacityandspeedofdatatransmit,thesetwoproblemshavebecamepopularamongtheRFresearchfieldBasedontheneedofrealityapplication，someresearchaboutthehi曲efficiencyandbroadbandRFPAwasdidThispaperfirstintroducesthebackgroundandrealitymeaningofthisissue，somedevelopmentsituationofGaNsemiconductor,highefficiencyandbroadbandRFPAbothinchinaandabroadwereoverviewedThensomebasicknowledgeofRFPAwasexplained，includingclassification，maincharacteristics，conceptofbroadbandRFPA，microstriplinebasictheoryandimpedancematchingtechnologyTheinfluenceofparasiticparameterstohighefficiencyPAwasanalyzedtooThenarrowbandhighefficiencyPAwasdesignedandtestedinthefomlchapter，therelationshipbetweennonlinearoutputcapacitorCotofGaNHEMTandefficiencywasanalyzedthroughamodelByadoptingaseriesofimprovedmethods，DCbiascircuit,harmoniccontrolcircuitandimpedancematchingcircuitweredesignedandsimulatedAhighefficiencyPAwasobtainedwithbandwidthof209-219GHz，outputefficiencyhigherthan75，outputpowerhigherthan40dBmInthefifthchapter,thebroadbandhighefficiencyPAwasdesignedandtested，withthenonlinearoutputcapacitorCout，thehighefficiencyharmonicimpedanceareaCallbeenlarged，thekeypointisthedesignofbiascircuit，harmonicandfundamentalwaveimpedancematchatthesanletimeAhi【ghefficiencybroadbandPAwasmadewithbandwidthof2-3GHz，outputefficiencyhigherthan65，outputpowerhigherthan40dBmKEYWORDS：

RFPA；GaN；nonlinearoutputcapacitor；highefficiency；broadbandlll目录第一章绪论111课题研究背景和意义112射频功率放大器国内外研究现状2121GaN材料的发展现状212，2功放高效率技术发展现状3123功放宽带技术发展现状513本文主要工作及内容安排6第二章射频功率放大器基本理论721射频功率放大器分类7211传统线性功率放大器7212高效率开关模式功率放大器922射频功率放大器主要技术指标1123宽带功率放大器简介1524小结15第三章射频功率放大器高效率设计研究1631微带线理论1632阻抗匹配一18321共轭匹配一18322功率匹配1933寄生参数对F类功放影响21331F类功放21332寄生输出电容C。

ut对F类功放影响2334小结24第四章s波段窄带高效率功率放大器设计2541直流偏置网络设计2542非线性输出电容建模分析-2743谐波网络设计30431负载牵引分析30432谐波网络设计3544基波匹配电路设计38441具备谐波网络的基波负载牵引一384。

4。

2输入输出阻抗匹配一39TV45功放整体仿真41451功放输出结果仿真4l452仿真对分析的验证4346实物测试与结果讨论4447小结48第五章2-3GI-lz宽带高效率功率放大器设计5051非线性输出电容C叭n对宽带功放高效率作用的建模分析5052宽带高效率功率放大器仿真设计53521直流偏置电路设计一53522负载牵引分析55523宽带匹配准则一56524阻抗匹配设计一58525原理图版图仿真5953功放实测6l54小结63第六章总结与展望一64参考文献66攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况7lV插图清单图11收发信机简化结构1图21四类功放偏置点示意图7图22A类放大器输出电流波形8图23B类放大器输出电流波形一8图24AB类放大器输出电流波形9图25C类放大器输出电流波形一9图26开关模式示意图10图27D类功放结构图10图28带四分之一波长线的E类功放结构图1l图29功放1DB压缩点表示图12图210增益及增益平坦度13图211放大器的交调失真13图212ACPR示意图14图31微带线模型17图32微带线特性阻抗与wH关系17图33具有电压源和电流源的等效电路18图34共轭匹配和功率匹配20图35理想F类电流电压波形一22图36典型F类放大器示意图22图37功率晶体管大信号等效模型23图38并联电容对电压和电流波形的影响24图41直流扫描原理图25图42晶体管直流扫描结果25图43直流偏置电路示意图26图44扇形微带代替电容示意图27图45扇形微带与电容抑制射频信号效果对比27图46饱和放大器简化电路模型28图47输出电容非线性特性曲线28图48线性和非线性电容谐波电压产生特性29图49负载牵引数据示意图30图410负载牵引原理图31图411源牵引原理图32VI图412源和负载牵引功率效率曲线图32图413二三次谐波负载牵引结果33图414谐波依次叠加负载牵引结果对比图34图415理想高效率谐波控制电路36图416考虑到寄生参数的谐波控制电路36图417本文所设计的谐波网络结构38图418谐波控制电路对应阻抗值38图419基波负载牵引原理图39图420基波源、负载牵引结果图39图421输入匹配与对应的Q值40图422输入电路与偏置电路4l图423输出电路与偏置电路41图424功放原理图仿真示意图42图425功放版图仿真示意图42图426功放仿真功率扫描结果43图427功放仿真频率扫描结果图43图428输出电路基波和谐波阻抗仿真图44图429漏极端电压电流波形图44图430高效率功放实物图45图43l功放测试框图结构45图432功放测试实物图45图433实测和仿真输出功率效率增益对比46图434实测100M频段内输出功率效率47图435实测功放输入输出阻抗图47图436功放输入反射系数实测48图51非线性电容模型51图52漏极端电压电流波形51图53非线性和线性电容模型基波及谐波阻抗对比图51图54非线性电容频段谐波牵引效率图52图55线性电容频段谐波牵引效率图53图56典型直流偏置电路54图57本文设计的扇形线偏置电路54图58单扇形与双扇形偏置电路S参数和阻抗分析对比一55图59输入输出最优效率阻抗圆趋势图55图510二三次谐波阻抗图56VIl图511加载无耗匹配网络57图512理想滤波器平坦响应57图513输入阻抗匹配电路58图514输出阻抗匹配电路58图515输入输出基波及谐波阻抗仿真图59图516功放原理图仿真图59图517功放版图仿真结构图59图518功率扫描仿真结果图60图519频率扫描仿真结果图60图520输出端电流电压波形图61图521宽带功放实物图61图522功放实测功率、效率与增益图62图523宽带功放输入输出电路阻抗实测62VIII表格清单表11半导体典型材料性能参数比较2表21A、B、AB、C类功放性能比较9表41负载牵引功率效率与阻抗关系表35IX第一章绪论第一章绪论11课题研究背景和意义2013年12月工信部正式向三大运营商发放4G牌照，这标志着无线通信基础设施的建设由3G又迈入了一个全新的阶段。

4G技术以传输高质量的图像和视频为目的，最高可达到100Mbps的传输速剧11，以满足人们日益增长的数据业务需求，这就需要现代无线通信系统具备更宽的带宽，更高的效率和更长的使用寿命。

如图11所示为无线通信系统收发信机的简化结构，功率放大器是通信系统中最重要的部件之一，位于发射机的末端，其性能直接影响到整个系统的输出性能。

功放在整个发射系统中占据了85左右的能耗，如果不考虑效率而单纯追求输出功率所带来的后果是非常严重的，它会大幅增加整个系统的能耗，不仅浪费大量电能，与全球节能减排趋势相悖，还提高了通信设备的成本，更主要的是对散热装置提出更高的要求，进而影响系统的稳定性12,3l。

因此一直以来高效率功率放大器都是重要的研究内容。

图11收发信机简化结构Fig11Simplifiedstructureof仃ans-receiver另一方面，高效率与带宽这一对指标往往是矛盾体，在很宽的带宽内要达到很高的效率是研究的一大难点，所以宽带高效率往往比较难以实现。

个人无线通信由2G到3G再到近来建设火热的4G通信系统，传输速率在不断增长，相应带宽也需要不断扩宽。

另外，WiMax、UWB等宽带无线接入技术在全球范围的发展都异常火热，呈现出向宽带不断推进、范围不断扩展的趋势。

将来，一些功能更加强大的新兴技术极有可能在该领域出现，推动整个无线通信产业的发展壮大，因此研究在功放保持高效率的同时提高其带宽的技术实际意义重大。

在材料方面，氮化镓（galliumnitride，Gar0是目前研究领域最新半导体材料的重要代表，从表11【4】可以看出其耐高压高温、宽禁带等特点。

与传统的第一二代半导体材料相比，GaN材料具有更高的电子饱和迁移率，更高的击穿电压和二维电子气浓度，以GaN材料制作的晶体管在输出功率效率，耐压耐温等方面都具有传统半导体材料无可比拟的特性，非常适合制备高频、高压、高温的新一代微波大功率器件和电1合肥工业大学硕士学位论文路网。

无论在航空航天等军用领域，还是通信基站、汽车电子等民用领域都有广阔的应用前景而受到世界各国的高度重视【6】。

表11半导体典型材料性能参数比较Tab11Performancecomparisonoftypicalsemiconductormaterial综上可知，射频功率放大器的高效率和宽带技术一直以来是研究的重点和难点，本文的正文部分将针对这两个研究热点进行分析和研究。

12射频功率放大器国内外研究现状121GaN材料的发展现状晶体管是射频放大器的核心，放大器各性能的改善很大程度上依赖于它，而晶体管的性能又在很大程度上取决于所使用的半导体材料。

在分类上，一般把半导体材料按年代分为3代，第一代半导体材料以硅（Si）和锗（Ge）等元素为代表，第二代以砷化镓（GaAs）、锗化硅（SiGe）等为代表，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SIC）等宽禁带材料为代表的第三代半导体也是最新最好的半导体材料。

GaN的禁带宽度在T=300K时为3233eV，晶格常数数为0452nm。

高电子迁移率晶体管（HighElectronMobilityTransistor，HEMT）是一种异质结晶体管，他是通过将MESFET逐步加工演化而来。

1994年，KhanM首次研究了有关A1GaNGaNHEMT的微波射频性能【71，当器件栅长为025unl时，测得室温下最大振荡频率为35GHz，特征频率为11GHz。

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