应用于Wi-Fi信号的高效率HBT功率放大器设计与研究开题报告

随着科学技术的不断进步，无线通信技术发展迅猛，适用于长距离、短距离通信的各种无线通信技术不断改变人类的生活。从20世纪80年代发展到现在，个人移动通信业务随着数据通信和移动互联网需求飞速发展，尤其是移动通信手机的用户増长速度与日俱增，使得移动通信业务有了爆炸式的增长，这对无线通信技术发展产生了巨大的推动作用。无线通信方式从以前的固定方式发展到现在的移动方式，技术越来越成熟，技术格局也有了新的发展局面，当前的无线宽带己成为无线通信技术的热点之一。无线宽带（即wifi，全称wireless fidelity）现已应用于家庭、单位、公共场所等热点区域，与电脑、手机、电视机等等终端设备息息相关，成为智能家居系统中举足轻重的一个环节。在移动通信技术迅猛发展的时期，无线宽带也在不断创新，在网络技术敲合的大趋势下，移动通信技术和无线宽带也即将迈进融合的步伐，移动通信不断提高和强化宽带传输的能力，同时也使得无线宽带接入满足漫游和安全的性能。现代通信技术正朝着接入多元化、网络一体化、应用综合化、互补融合化的趋势发展，正因无线通信技术有着前所未有的机遇和全新的挑战，使得无线通信技术研究有了非常深远的意义。

功率放大器是通信系统中的关键单元，它位于发射机的末端，其性能直接影响到信号的传输距离和传输质量。同时功放在整个发射系统中的耗能中占据了绝大部分，如果一味的追求输出功率不考虑效率，则会大幅度增加整个系统的能耗，不仅浪费了大量电能，与全球环保节能减排的趋势矛盾，还提高了通信设备的工作成本，更主要的是对散热装置和电源技术提出更高的要求，甚至影响系统的稳定性。因此高效率功率放大器一直以来都是重要的研究内容。传统功放通常分为4种，即a类功放、b类功放、ab类功放和c类功放。a类功放又称甲类功放，它的输出级中两个(或两组)晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无信号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大信号情况下流入负载。当无信号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当信号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡而推动放大器工作。a类功放的工作方式具有最佳的线性，每个输出晶体管均放大信号全波，完全不存在交越失真(switching distortion)，即使不施用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被称为是最理想的放大线路设计。但这种设计有利有弊，a类功放放最大的缺点是效率低，因为无信号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。当信号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热量。a类功率功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，a类功放必须采用大型散热器。因为它的效率低，供电

器一定要能提供充足的电流。一部25w的a类功放供电器的能力至少够100瓦ab类功放使用。所以a类机的体积和重量都比ab类大，这让制造成本增加，售价也较贵。一般而言，a类功放的售价约为同等功率ab类功放机的两倍或更多。b类功放又称乙类功放，工作方式是当无信号输入时，输出晶体管不导电，所以不消耗功率。当有信号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非线性。纯b类功放较少，因为在信号频率非常低时失真十分严重。b类功放的效率平均约为75%，产生的热量较a类机低，容许使用较小的散热器。b类功放通常的工作方式分为ocl和btl，btl可以提供更大的功率，目前绝大部分的功率集成电路都可以用两块组成btl电路。ab类功放与前两类功放相比，ab类功放可以说在性能上的妥协。ab类功放通常有两个偏压，在无信号时也有少量电流通过输出晶体管。它在信号小时用a类工作模式，获得最佳线性，当信号提高到某一电平时自动转为b类工作模式以获得较高的效率。普通机10瓦的ab类功放大约在5瓦以内用a类工作，这种设计可以获得优良的线性度并提高效率减少热量，是一种颇为合乎逻辑的设计。c类功放又称丙类功放，这类功放是一种失真非常高的功放，并不适合在常规用途使用。功率放大器提髙效率的传统方法是减小导通角，在这个过程中，功放的工作状态经a类、ab类、b类、c类逐渐过渡，效率逐渐趋于100%，但导通角的减小也降低了输出功率，效率达到100%时输出功率也降为0。因此，本文仅讨论ab类功放。

功率放大器的评价标准通常以线性度、效率、输出功率为主。在改善线性度方面，常见有功率回退技术，预失真技术以及负反馈技术。功率回退技术最常在实践中使用，它是最直接的优化方法。功率回退技术就是让放大器工作在闭的状态下，把大功率晶体管用作小功率晶体管。这种技术可以提高功率放大器的线性度，但也会带来很大的功率损耗。从原理上理解，功率回退法就是根据实际需求将放大器的增益比小信号增益低 1db 时的输出功率做出一定的回退，数值一般很小，在 6db 和 10db 之间。当输出功率回退到一定程度时，功率回退就不再起作用了。预失真顾名思义就是预先处理失真，在信号流入放大器之前就在相位与幅度上对信号做预先处理，对在整个功率变化范围内的放大增益和相位变化进行补偿，能够很好地改善信号的失真。预失真技术是在主放大器前面增加一个电路，称之为预失真器。预失真器会产生一个非线性特性的预失真信号，这个信号和主功率放大器的信号有相同的幅度，但是和主功率放大器的信号有相反的相位。那么预失真器与主功放级联后，在功放饱和前，主功放的输出信号的幅度和相位近似为一个定值了。负反馈线性化方法非常实用。在高频功率放大电路引入负反馈，高频功率放大器非线性化能得到很大改善，人们在这方面投入了很大的努力，在模拟电路中运用很多，同时负反馈技术也能提高数字电路线性化。而在改善效率方面，通常有利用

镇流电阻的偏置性能、采用 doherty 功率放大器、dc-dc 直流变换的功率随动法以及采用 d 类或 e 类功率放大器等方法，这些技术各有各的优势，同时也各有各的局限性。doherty功率放大器最初用于调制广播系统，那时候并未得到认可和普及。由于功率放大器因为效率低，成本高的问题日益显现，doherty 功率放大器重新回到人们的视线，对 doherty 功率放大器进行改良，使高频功率放大器的效率几乎不受功率回退的影响，这项技术如今广泛应用于4g通信系统中。dc-dc 直流随动的工作原理是将输出功率进行分区，每个分区都有单独的供电，让输出端提供一部分信号去控制输入功率的大小，通常用 dsp 技术实现这些功能，但是这样会增加模块设计成本，结构复杂化。因此， dc-dc 直流变换的功率随动法只适用于小型移动终端。d 类、e 类功率放大器因为电路中的功率管工作在开关状态，由于功率管满负荷工作时，功率管压力下降很少，在某个时间内停止时功率管的电流量也很少，功率管的功率损耗主要发生在状态开与关的替换过程中，因此放大器效率高得惊人，可以达到 90%。

综上所述，高频功率放大器的高效率会引发线性度指标的恶化，而镇流电阻的偏置性能与负反馈性能可在提高效率的同时尽量保证线性度良好，改善性能指标。本文拟采用镇流电阻的偏置性能与负反馈性能，在提高效率的同时尽量保证线性度良好。通过doherty功率放大器提高效率，利用负反馈性能改善线性度，针对wi-fi信号设计一款性能优异的hbt功率放大器。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容：

1.分析、总结高频功放的效率、线性度、输出功率等性能参数；

2.重点围绕镇流电阻与效率、线性度之间的关系进行计算分析；

3. 研究的方法与步骤

拟采用的研究方法：

由于高频功率放大器的高效率会引发线性度指标的恶化，因此采用分布式镇流电阻的设计，随着输出功率的增加，通过利用镇流电阻的偏置性能和doherty功率放大器提高效率，镇流电阻的偏置性能与负反馈性能可在提高效率的同时尽量保证线性度良好，改善性能指标。

4. 参考文献

[1] 杜武林，张爵胜. 高频电路原理与分析[m]. 西安：西北电讯工程学院出版社，1986.

[2] 杨务诚. gaas hbtmmic 功率放大器的设计[d]: [硕士学位论文]. 湖南：湖南大学，2012

[3] 胡锦，刘安玲，陶可欣等. 带有基极镇流电阻的sige hbt射频功率放大器[j]. 固体电子学研究与进展，vol. 10, 2012.

5. 计划与进度安排

（1）2022-1-19-2022-2-28 查阅资料，完成开题报告，完成外文资料的翻译，对本系统有个大概的框架认识，设计出一个一般功放。

（2）2022年3月 完成线性度部分优化：

2022-3-1-2022-3-10 查阅文献资料明确线性度的指标；