S波段氮化镓宽带功率放大器设计.pdfVIP

摘要

摘要

随着无线通信技术的发展，无线通信系统对射频收发系统的要求越来越高。S

波段（2.0GHz~4.0GHz）因其在气象雷达、卫星通信、航空航天等领域广泛的应用，

成为无线通讯领域重点研究的频率波段。在无线通信中，功率放大器是其中极其重

要的组成部分，它占据了整个系统中的绝大部分耗能，其工作带宽也在很大程度上

决定了整个系统的带宽。氮化镓（GaN）材料具有高电子迁移率，适用于高频率和

高功率的电子器件中，在S波段功率放大器领域展现出优异性能。而设计S波段氮

化镓功率放大器会遇到诸多挑战，比如带宽拓展、匹配和线性度、功率输出水平、

效率水平等。因此，本文重点针对S波段氮化镓宽带功率放大器进行研究，研究并

设计了三个分别工作在2.5GHz~2.9GHz、P/S波段、2.0GHz~3.0GHz的宽带功率放

大器。

首先，设计了一个工作频带为2.5GHz~2.9GHz的两级宽带功率放大器，通过两

级级联的结构实现增益提升。输入输出匹配电路使用阻抗牵引的方法进行匹配网络

设计，级间匹配电路使用能得到最大增益输出的共轭匹配法进行匹配网络设计，仿

真结果表明，这个功率放大器具有良好的性能。在2.5GHz~2.9GHz频带范围内，放

大器功率附加效率（PAE）大于55%，并且在2.6GHz时，PAE的峰值达到70%，

频带内饱和输出功率大于40dBm。

其次，设计了一个适用于P波段（0.45GHz~0.55GHz）和S波段

（2.45GHz~2.65GHz）的双频段宽带功率放大器，该放大器采用双频输出匹配网络

结合级间和输入匹配网络来实现功放的双频带功能。提出采用电容自谐振的理论设

计输出匹配网络（OMN），电容为直流信号提供短路点，从而实现电路在双频段的

工作。当频率为P波段时，饱和输出功率（Psat）大于40.2dBm，功率附加效率(PAE)

60.5%–66.8%S39.1dBm

为。当频率为波段时，具有超过的饱和输出功率以及

57.4%–67.9%的PAE。

最后，研究并设计出一个平衡式宽带功率放大器，工作频带范围是

2.0GHz~3.0GHz。针对无线通信系统需要更广泛的工作带宽，满足宽频谱电磁波传

输大量数据需求的问题，提出一种基于分支线耦合器的平衡式宽带功率放大器设计

方法，利用功率分配器来实现信号的功率分配和合成，并且用分支线耦合器作为阻

抗变换器和输出匹配电路，从而在较宽的频带内实现高增益和高功率输出。在

2.0GHz~3.0GHz频带范围内功率附加效率大于60%，并且在2.6GHz~3.0GHz频段，

功率附加效率大于70%，频带内饱和输出功率为45dBm~46.5dBm。

I

河北科技大学硕士学位论文

关键词S波段；宽带；功率放大器；平衡式功率放大器；双频匹配结构；功率分

配器

II

Abstract

Abstract

Withthedevelopmentofwirelesscommunicationtechnology,therequirementsfor

RFtransceiversystemsinwirelesscommunicationsystemsarebecomingincreasingly

high.TheS-band(2.0GHz~4.0GHz)hasbecomeakeyresearchfrequencybandinthe

fieldofwirelesscommunicationduetoitswidespreadapp