检索结果-内蒙古大学图书馆

固体电子学研究与进展 2021年第2期41卷 109-114页

作者：周广超郭润楠张斌南京电子器件研究所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室南京210016

基于磷化铟双异质结双极型晶体管(InP DHBT)实现了一款K波段数字化功率放大器芯片。该芯片利用InP DHBT工艺兼容高速数字与射频功率电路的优点,采用多个数字功放单元并联连接的形式,每个数字功放单元可以根据数字基带控制信号接通或断开... 详细信息

基于磷化铟双异质结双极型晶体管(InP DHBT)实现了一款K波段数字化功率放大器芯片。该芯片利用InP DHBT工艺兼容高速数字与射频功率电路的优点,采用多个数字功放单元并联连接的形式,每个数字功放单元可以根据数字基带控制信号接通或断开,形成多位的射频功率直接输出。在分析了基于共射-共基结构数字功放单元电路的瞬态响应和大信号特性的基础上,设计并实现8位数字化功率放大器,其不同权重功放单元输出经过下层金属接地作为地平面的总线式结构进行功率合成,有效调节了传输线的阻抗和信号的耦合,有利于输出功率的合成。在20 GHz时,最大饱和输出功率和附加效率分别为27 dBm和21%,归一化输出电压的均方差为0.0315,电路线性度较好。

关键词：磷化铟数字化功率放大器射频功率直接输出总线式结构共射⁃共基

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高功率高效率数字化功率放大器

高功率高效率数字化功率放大器

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作者：王天翊电子科技大学

学位级别：硕士

随着无线通信的急速发展,对射频发射机系统的需求急速增加。高性能的功率放大器是发射机系统的重要组件,对整个发射机系统的性能有着巨大影响。为了解决对高功率、高效率的发射机系统的要求,国内外对功率放大器有着众多的研究。数字化... 详细信息

随着无线通信的急速发展,对射频发射机系统的需求急速增加。高性能的功率放大器是发射机系统的重要组件,对整个发射机系统的性能有着巨大影响。为了解决对高功率、高效率的发射机系统的要求,国内外对功率放大器有着众多的研究。数字化功率放大器是一种新型的功率放大器。它通过工作在开关模式,有着高效率的特点。并且数字化功率放大器的高集成度,还可以减少发射机系统中其他模块的使用,间接的进一步提高发射机系统的能效比。本文主要研究了极化发射机系统的整体架构、电路的组成以及实现方式、以及此架构下的工作特性和性能。实现了高功率、高效率的数字化放大器设计。论文首先介绍了极化发射机等几种发射机架构,以及每种架构的优缺点。然后介绍了数字化功率放大器的几种工作模式,以及每种模式下的工作过程、各点的电压电流波形。之后详细介绍了高功率、高效率放大器芯片的设计。首先根据输出功率要求,选取了核心管的数量、大小,并仿真得到了核心管阵列的最佳匹配阻抗。还设计了核心管驱动电路。进而设计了能够将核心管输出匹配到50欧姆的匹配网络。并通过功率合成增大了输出功率。此外,针对匹配网络中出现的不平衡问题,通过,通过电路仿真、电磁仿真,引入了平衡性补偿电容,有效改善了匹配网络的平衡性,提高了效率。接下来,本文还介绍了基带接口电路的设计,以及译码电路的优化。本文使用传统40-nm互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS）工艺设计并实验验证了工作于1.2–2.8 GHz的数字化射频功率放大器芯片。通过在连续波下测试,验证了芯片工作频率范围超过1.2–2.8 GHz,在2 GHz时峰值输出功率为32.4 d Bm,在1.8 GHz时峰值漏极效率（Drain Efficiency,DE）为53.8%。然后测试了芯片的输出幅度和相位随幅度控制字的变化。进而在调制测试部分测试了多种调制信号。其中,50MHz 64正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）,平均输出功率为25.37 d Bm,误差向量幅度（Error Vector Magnitude,EVM）为-26.97 d B,邻信道功率比（Adjacent Channel Power Ratio,ACPR）为-29.61 d Bc,以及10MHz 1024-QAM,平均功率为22.14 d Bm,EVM为-35.75 d B,ACPR分别为-35.37 d Bc.

关键词：数字化功率放大器高功率高效率平衡补偿匹配网络

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基于InP DHBT的毫米波数字化功率放大器关键技术研究

基于InP DHBT的毫米波数字化功率放大器关键技术研究

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作者：周广超中国电子科技集团公司电子科学研究院

学位级别：硕士

随着高数据率标准的引入和对多频段业务的需求,传统的发射机架构正面临越来越多的困难。首先,随着调制带宽拓展到吉赫兹,维持上变频链路线性度越来越困难;其次,宽带或多波段发射机由于谐波和镜像的原因对模拟信号处理和基带有很高的要... 详细信息

随着高数据率标准的引入和对多频段业务的需求,传统的发射机架构正面临越来越多的困难。首先,随着调制带宽拓展到吉赫兹,维持上变频链路线性度越来越困难;其次,宽带或多波段发射机由于谐波和镜像的原因对模拟信号处理和基带有很高的要求。近年来,无线通信系统的标准正朝着数字化、高数据率、多频段多功能一体化集成方向发展,因此无线通信领域的研究已经转向了数字域,以满足通信系统在毫米波、亚毫米波段的挑战。本文基于InPDHBT器件兼容高速数字和射频功率电路的特点,首先研究了基于共射共基结构的毫米波数字化功率放大器单元,验证了功率放大器数字化的方法。在此基础上提出一种采用总线式输出功率合成结构的数字化功率放大器设计方案,首次实现了基于InPDHBT工艺的K波段数字化功率放大器,接着针对其晶体管匹配局限对效率的限制,提出一种采用分布式结构的输出功率合成网络,研制了一款高效率数字化功率放大器,验证了分布式合成结构提高效率的可行性。通过对共射共基结构的理论分析,研究了数字化功放单元电路的电路特性,分析了其大信号特性和动态特性。采用总线式输出合成的数字化功率放大器采用二进制加权编码和温度计码编码相结合的编码方式,避免了二进制编码方式在位数较高时可能产生的非线性与不单调问题,其低五位采用二进制编码控制五个非均匀权重单元,高三位采用温度计编码控制七个均匀权重单元。其不同权重功放单元输出经过下层金属接地作为地平面的总线式结构进行功率合成,有效地调节了传输线的阻抗和信号的耦合,有利于输出功率的合成。装盒测试表明,芯片在20 GHz时,最大饱和输出功率和附加效率分别为27 dBm和21%,归一化输出电压的均方差为0.0315,电路线性度较好,芯片尺寸为2.4 mm*2 mm。芯片实现了输出功率数字化控制,未来结合编码的控制和驱动电路,可以实现发射机的全数字化。在完成数字化功率放大器功能验证的基础上,首次提出基于分布式结构的数字化功率放大器输出功率合成方法,改善不同尺寸单元的阻抗匹配。将微带线与数字化功放单元电路的输入端口和输出端口的寄生参数结合起来,有利于良好的功率和效率设计,并采用4个管芯尺寸呈二进制分布的数字功放单元进行了验证。装盒测试表明,芯片在20 GHz时,改善匹配后的附加效率达到了 34%。芯片有效地提高了数字化功率放大器的饱和附加效率,验证了分布式合成结构对提高不均匀尺寸管芯电路合成效率的正确性和可行性。

关键词：磷化铟数字化功率放大器共射共基总线式分布式

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基于AM-PM失真自校准技术的开关电容功率放大器研究

基于AM-PM失真自校准技术的开关电容功率放大器研究

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作者：唐宏欣电子科技大学

学位级别：硕士

随着当前无线通信系统对更高数据传输速率的需求增加,也给射频发射机系统带来了巨大的挑战。而提高数据传输速率最直接的方法:提高传输带宽或者提高传输频谱的利用效率,也就是使用更高阶的复杂调制模式。在常用频谱已经十分拥挤的当下,... 详细信息

随着当前无线通信系统对更高数据传输速率的需求增加,也给射频发射机系统带来了巨大的挑战。而提高数据传输速率最直接的方法:提高传输带宽或者提高传输频谱的利用效率,也就是使用更高阶的复杂调制模式。在常用频谱已经十分拥挤的当下,采用高阶复杂调制模式是更有效的解决方案。而数字化功率放大器的直接调制架构在支持高阶调制模式中具有明显优势,因此受到国内外研究人员的广泛关注。数字化功率放大器作为近年来出现的新型功率放大器,具有高集成度,高效率,低成本等特点。其通过控制放大单元开启的数量,实现了对载波频率信号幅度的直接调制。而单个放大单元工作在开关模式,具有高效率的优点。但是由于各种非理想因素的影响,数字化功率放大器一直存在非线性的问题。因此,本文针对数字化功率放大器的非线性问题,提出了片上自校准技术,通过检测输出相位失真,产生对应的相位补偿,从而减小数字化功率放大器的AMPM失真,提高线性度。本论文首先介绍了自校准技术的工作原理与校准过程,讨论了校准过程中校准环路的工作状态。然后介绍了各模块的工作原理与方式,讨论了相位失真从检测到产生相位补偿的全过程。随后设计了各模块的实现电路,并基于自校准电路设计了数字化开关电容功率放大器芯片。本文采用国产40 nm互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺,基于提出的AM-PM失真自校准技术设计并制造了一款数字化开关电容功率放大器。根据连续波测试结果显示,该功率放大器峰值输出功率28.9 d Bm,峰值漏极效率43.9%,峰值功率附加效率37.2%,工作频率覆盖1.4-2.8 GHz。且其在1.8 GHz处的AM-PM失真仅为4.4°,能够在不使用数字预失真技术的情况下支持复杂调制信号。根据调制信号测试结果,该芯片可以支持64-/256-/1024-正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)信号。其中,100 MHz 64-QAM和10 MHz 1024-QAM信号测试中,该芯片实现了22.6/21.3 d Bm的平均输出功率,33.9/32.1%的平均漏极效率,-26.3/-35.0 d B的误差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)和-26.4/-33.7 d Bc的相邻信道泄露功率比(Adjacent Channel Leakage Ratio,ACLR)。

关键词：高效率数字化功率放大器开关电容功率放大器自校准技术

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InP DHBT器件在毫米波功率放大器中的研究

InP DHBT器件在毫米波功率放大器中的研究

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作者：许鑫东中国电子科技集团公司电子科学研究院

学位级别：硕士

近年来,信息技术飞速发展,传输数据量日益增加,通信系统需要更高的数据速率,加上现有的通信频带有限,越来越多的通信技术研究转向毫米波。磷化铟（InP）双异质结晶体管（DHBT）因其高频、高线性、大动态范围等特性,在毫米波功率放大器... 详细信息

近年来,信息技术飞速发展,传输数据量日益增加,通信系统需要更高的数据速率,加上现有的通信频带有限,越来越多的通信技术研究转向毫米波。磷化铟（InP）双异质结晶体管（DHBT）因其高频、高线性、大动态范围等特性,在毫米波功率放大器领域具有广泛的应用前景。一方面,随着频率的增加,功率放大器线性度要求提升,InP DHBT为设计高线性功率放大器提供可靠的器件基础;另一方面,复杂调制、多频段、多功能的应用需求,促进通信链路向数字化方向发展,而InPDHBT因其大动态范围的特性,满足数字化功率放大器等高速数模混合电路的设计需求。本文通过双音负载牵引技术,证明.InP DHBT器件具有优良的线性度,满足高线性功率放大器的设计需求。在此基础上,研制了一款InP DHBT工艺的K波段高线性功率放大器。采用自适应线性电流源,确保大功率状态下功放管芯的偏置稳定性和温度稳定性,避免功放管芯失真,提高了功率放大器的线性度。测量显示,在26 GHz和28 GHz处,输出功率回退2.5 dB后三阶交调（IMD3）小于-30 dBc。该功放满足毫米波发射机中高线性功放的需求。此外,应对数字化发展,研制一款InP DHBT工艺的数字功放。基于共射-共基（cascode）结构,设计一款两级的cascode结构数字功放单元,提高了数字功放单元的增益和数字信号的开关能力。将8个数字功放单元并联,由数字信号控制各个单元的开关,实现本振信号与数字信号之间的调制。测试结果显示,20 GHz处,在幅度控制字（ACW）为8的满幅状态,输出功率为23.5 dBm,功率附加效率（PAE）为22.5%,在ACW为4的回退状态,效率下降到16%。为了提高回退状态的效率,提出并采用回退合成技术,改进了数字功放的匹配合成电路。仿真结果显示,20 GHz处,改进后的数字功放在ACW为8到4之间,PAE均大于20%,达到了提升回退效率的效果。此外,针对正交数字化发射机的应用需求,设计了三款中心频率为20 GHz的正交耦合器,仿真结果表明正交耦合器具有良好的幅度误差和相位误差。数字功放和正交耦合器的研究为未来数字化发射机提供技术支撑。

关键词： InP DHBT 高线性功率放大器数字化功率放大器共射共基结构功率回退

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可重构数字化微波/毫米波发射机集成电路与微系统

可重构数字化微波/毫米波发射机集成电路与微系统

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作者：杨秉正电子科技大学

学位级别：博士

近年来,随着5G移动通信、智能家居、智慧城市等新兴应用场景的迅猛发展,高集成、低成本、高效率的硅基无线发射系统已成为现代无线传输与通信系统的核心部件。但随着应用场景对更高输出功率、更高能效、更高传输数据率需求的增长,硅基... 详细信息

近年来,随着5G移动通信、智能家居、智慧城市等新兴应用场景的迅猛发展,高集成、低成本、高效率的硅基无线发射系统已成为现代无线传输与通信系统的核心部件。但随着应用场景对更高输出功率、更高能效、更高传输数据率需求的增长,硅基无线发射系统仍然面临着很多挑战与难点。本文针对硅基可重构数字化微波、毫米波功率放大器及发射机系统展开了深入研究,提出了一系列数字化功率放大器新电路与发射机系统新架构的理论原理与设计方法,基于硅基CMOS工艺研制了多款芯片,工作频率涵盖微波、毫米波频段。本文的主要贡献与创新点主要体现在以下几个方面:1、高精度瓦特级可重构数字化功率放大器研究。针对硅基功率放大器宽带、高输出功率、高效率设计难题,提出了一种基于12-bit power digital-to-analog(power DAC)的数字极化功率放大器技术。通过电压功率合成的可重构片上变压器技术,实现更高输出功率与工作频率扩展;基于可重构匹配网络,优化功率放大器不同频段的输出负载阻抗,实现功率与效率的提升,进一步拓宽该功率放大器工作频率范围。基于Class-E开关模式的功率放大器阵列单元实现高效率。基于该电路架构在40-nm CMOS工艺上研制了一款12-bit数字极化功率放大器,该芯片工作频率覆盖1.2–3.6GHz,饱和输出功率可达32.67d Bm,峰值漏极效率45.1%,峰值功率附加效率35.5%;该数字化功率放大器还可支持高阶QAM调制信号,如1024-QAM和4096-QAM。2、回退效率提升的正交可重构数字化功率放大器研究。针对功率放大器功率回退效率低的难题,提出了一种基于开关/浮空电容机理,通过浮空电容呈现高阻特性降低电容充放电带来的额外能耗,提升效率;结合混合Doherty及阻抗提升技术实现正交平面内多回退点效率提升。基于该原理与电路架构在40-nm CMOS工艺上研制了深回退效率提升的正交可重构数字化功率放大器。其工作频率范围为2.15–3.35GHz,饱和输出功率为30.3d Bm。在2.4GHz,0/3/6/9/12/15d B功率回退处实现了41.3/37.5/36.1/30.9/26.2/20.2%的漏极效率。该功率放大器可支持60MHz256-QAM以及40MHz 1024-QAM调制信号。3、提出了一种可重构自耦合抵消变压器技术。通过在变压器中引入额外的电感与可调电容,来改变次圈等效感值,并进一步调谐变压器的阻抗变比。采用变压器的自耦合抵消,抑制该可重构变压器中额外引入的电感与主圈电感之间的弱耦合,来进一步增大可重构变压器阻抗变比调谐范围,满足不同情况下的阻抗匹配需求。同时,该可重构自耦合抵消变压器在调谐阻抗变比时仍能保持较高的品质因数与较低的无源损耗。4、数字化毫米波正交开关电容发射机。针对数字化毫米波发射机因寄生电容带来的本振泄漏问题,提出了一种本振泄漏自抵消技术。通过引入与本振泄漏信号等大反向的信号,通过反向抵消来有效抑制本振泄漏,提高发射机动态范围。同时基于开关电容数字化架构,采用高品质因数的三维自屏蔽电容,有效提高了调制器的效率。基于该架构在40-nm CMOS工艺上研制了一款工作在22–30 GHz的数字化直接调制发射机。饱和输出功率24.03d Bm,峰值系统效率为31.5%,可支持400MHz 64-QAM调制信号传输。5.正交旋转数字化相控阵发射机。针对相控阵发射机相位控制,提出了一种基带正交旋转的数字化相控阵发射机,通过正交平面旋转实现相控阵相位的粗调,采用相位调谐传输线实现相位的高精度控制。基于该技术在40-nm CMOS工艺实现了一款2×2数字化相控阵发射机,实现了28.4d Bm的饱和输出功率和37.9%的系统效率,数字预失真后相控阵相位误差与幅度误差分别小于0.12°和0.15d B。

关键词：射频集成电路数字化功率放大器数字化发射机数字化相控阵发射机可重构

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