射频AB类功率放大器电路设计毕业论文

 2021-09-13 10:09

摘 要

无线通信系统广泛应用于现代社会日常生活,而射频功率放大器作为无线通信系统的核心部分,能够在高频段对信号进行稳定放大。由于射频功率放大器相较于传统放大器具有明显优点且在无线通信系统中具有重要地位,因此目前对于功率放大器的研究和应用已经相当成熟,如何改善放大器的输出线性度和效率更是设计师关心的重点,所以对本课题进行研究具有重要意义。

本设计基于阻抗匹配网络理论和负载牵引技术,根据设计指标要求,利用ADS软件对射频微波电路进行仿真设计,完成窄带驱动级射频AB类功率放大器的实体电路搭建工作,并对其实际性能进行了测量与分析。

通过对设计的电路优化调谐,所设计的功率放大器的仿真电路给出的仿真结果符合设计要求,能够在1850MHz频率下稳定工作并能产生4W的输出功率,工作效率达到40%以上。但是最终加工出来的PCB板的输入和输出端大小不一致,导致实际测量时谐振点出现偏移,测量结果不理想。

本课题主要是完成了窄带驱动级放大器电路设计。该放大器电路结构紧凑,尺寸小,节约了制造成本,而且能够在较高频段对输入信号进行线性放大。

关键词:射频功率放大器;负载牵引;ADS软件

Abstract

The wireless communication systems are widely used in modern social life, as the central part of wireless communication system, Radio frequency power amplifier can stably amplify the signal in the high frequency band. Compared with the traditional amplifier, the radio frequency power amplifier has obvious advantages. Considering its important position in the wireless communication system, at present, the research and application of power amplifier has been quite mature. Designers are more concerned with the focus on how to improve the linearity and efficiency of the amplifier output. So the research of this topic has important significance.

According to the design requirements, this design is based on the impedance matching network theory and the load pull technology and carry on the simulation design to the radio frequency microwave circuit by Using ADS software. What’s more, it completes the welding work of the physical circuit of the narrow band driven class AB power amplifier. In the end, the measurement and analysis of its actual performance are carried out.

By optimizing the design of the circuit., the simulation results of the designed power amplifier can meet the design requirements. The amplifier can work stably at the frequency of 1850MHz and generate the output power of 4W, The work efficiency is above 40%. But the input and output of the PCB board is not in the same size, which leads to the offset of the resonant point in the actual measurement, and the result is not ideal.

The main task of this paper is to complete the design of narrow band driver amplifier, the circuit is compact, the size is small, and the manufacturing cost is saved,The input signal can be amplified linearly in the higher frequency band.

Key words: Radio frequency power amplifier; Load pull; ADS software

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 1

1.3 论文结构及安排 2

第2章 射频放大电路理论基础 3

2.1 功率放大器设计技术简介 3

2.1.1 负反馈技术 3

2.1.2 负载牵引技术 4

2.1.3 双端口网络 4

2.1.4 阻抗匹配理论 5

2.2 本章小结 6

第3章 功率放大器基本指标和分类 7

3.1 功率放大器的基本指标和原理 7

3.1.1 工作频带 7

3.1.2 增益和增益平坦度 7

3.1.3效率 7

3.1.4 1dB压缩点 7

3.1.5 三阶交调系数 8

3.2 传统功率放大器的分类和分析 8

3.3本章小结 9

第4章 射频AB类功率放大器的研制 10

4.1 AB类功率放大器的仿真 10

4.1.1 晶体管的选择 10

4.1.2 静态工作点的选取 10

4.1.3稳定性分析 12

4.1.4负载牵引和源牵引 13

4.1.5输出匹配电路建立 16

4.1.6输出偏置电路设计 19

4.1.7输出匹配带偏置设计 20

4.1.8输入匹配带偏置电路建立 21

4.1.9 S参数仿真 23

4.1.10 HB仿真 24

4.2 AB类功率放大器的版图设计与仿真 27

4.2.1版图生成 27

4.2.2版图联合原理图仿真 28

4.2.3联合单音非线性仿真 29

4.2.4联合双音谐波仿真 30

4.2.5输出CAD图纸 31

4.3本章小结 32

第5章 实际电路板焊接与调试 33

5.1 实际电路板焊接 33

5.2 数据测量及分析 33

5.3 本章小结 35

第6章 总结与展望 36

参考文献 37

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来,随着无线通信系统应用越来越广泛,系统性能需求也在不断提高。在无线通信系统中,通过对输入的小功率信号进行一系列放大后,让其获得足够多的射频功率,然后通过天线稳定辐射出去。其中放大器的输出功率和线性度是目前研究的重点。而AB类放大器由于其良好的线性度和较高的效率得到广泛的研究与应用,因此进一步研究射频AB类功率放大器工作特性,优化其相关性能指标,对无线通信系统的发展具有重要意义。本文在微波理论和射频技术的基础上设计了一种窄带驱动级AB功率放大器,目的是使功放在中心频率1850MHz处线性放大且输出功率达到4W。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

射频功率放大器通过不断研究与应用,其研发技术已经比较成熟。主要表现在:射频器件制造工艺不断提高,从最早20世纪50年代开始应用于射频通信领域的双极型晶体管,发展到70年代开始应用的GaAs场效应晶体管,相较于前者,这种晶体管的载流子迁移率更高。到了80年代后,为了让射频功率放大器的工作频率能够进入毫米波段,利用用异质结器件设计的晶体管开始投入使用。进入90年代后,低噪声高效率电子迁移率晶体管开始普遍应用于功率放大器的设计,此同时,无源器件和单片集成器件也在飞速发展,使得放大器性能逐渐提升。

射频放大器技术进一步优化,包括功率回退技术,预失真技术等。例如设计时对于带宽达到GHz频段的信号放大可以采用宽带技术。设计放大器时,应该根据所需的性能指标合理使用不同的射频技术。

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