基于带通匹配网络理论的宽带高效率功放设计_董磊

毕业论文（设计）射频宽带放大电路设计学生姓名：指导教师：专业名称：电子信息工程所在学院：信息工程学院2015年6 月目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)课题背景 (1)本课题在世界的目前水平及现状 (1)本课题的主要内容及意义 (2)第二章射频宽带放大电路设计的总体方案 (3)系统功能要求 (3)方案比较与论证 (4)理论分析与计算 (5)第三章射频宽带放大电路单元电路设计 (8)稳压直流电源 (8)固定增益的第一级放大电路设计 (9)第二级放大电路设计 (11)第三级电路设计 (12)其他元器件的功能说明 (13)第四章射频宽带放大电路的仿真分析 (15)应用软件 (15)测试方案以及测试条件 (15)测试结果及分析 (16)结束语 (19)致谢 (20)参考文献 (21)附录整机电路图 (22)摘要本次设计采用宽带放大器OPA847、压控放大器VCA824以及电流型运放OPA695等集成芯片来作为本次设计的射频宽带放大器的核心。

设计放大器的前级电路希望能够实现10倍的固定增益放大，最后决定通过宽带放大器OPA847来完成，本次设计的中间级电路将以压控放大器VCA824作为核心，~5倍的增益变化，本次设计的后级电路将使用电流型运放OPA695和继电器共同来实现5~25倍的增益变化，本次设计的末级电路，目的是进行10倍的衰减，将使用电阻网络来实现，从而可以达到设计预期的0dB~60dB的增益范围可调。

由于整个系统的输入信号幅度较小，而频率很高，所以为了提高系统整体的稳定性以及抗干扰能力，将引入屏蔽盒进行改善。

最后将整个设计进行仿真，结果达到了设计最初的所有要求和目的。

关键词：射频功率放大，稳压直流电源，宽带放大器，压控放大器，电流型运放AbstractThe design of the RF broadband amplifier composed by a voltage controlled amplifier VCA824 and Current-Op Amp pre-design system is composed by the broadband amplifier OPA847 to achieve the 10 times the fixed gain amplification. The middle of the design is composed by the voltage controlled amplifier VCA824 to achieve the ~5 times gain change. The subsequent circuit of the design is composed by the current- op amp OPA695 and relays to achieve the 5~ 25 times gain change. The final stage of the design used the resistor network to achieve the 10 times attenuation. Thus we can meet the design’s expectations that achieve it adjustable in the 0dB ~ 60dB gain range. Since the input signal with small amplitude and high frequency, the paper will set the shield case in this design after the simulation test to improve the stability and anti-jamming capability of the whole system. The whole system achieves all the indicators of the desired and the purpose of the design.Key words: RF Power Amplifier, Regulated DC Power Supply, Broadband Amplifier, Current-Op Amp第一章绪论课题背景随着我国通信技术迅猛的前进，我们已经进入了全新的信息科技时代。

一种基于波导E-T结的新型功分器的设计方法寇阳【摘要】针对传统功分器的不足,提出了一种改进型波导E-T结功分器.通过三维电磁仿真软件CST对其进行了建模仿真,得到一个合理的设计方案,该结构具有高隔离度、低插入损耗、小体积、宽频带等优点.加工的实物经测试在12～ 17 GHz的频率范围内,该功分器的插入损耗＜0.12 dB,回波损耗＞18 dB,隔离度＞15 dB,具有良好的工程应用价值.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2015(028)008【总页数】3页(P18-20)【关键词】E-T结;功分器;高隔离度;CST;Ku频段【作者】寇阳【作者单位】中国电子科技集团公司第54研究所卫星通信与广播电视专业部,河北石家庄050081【正文语种】中文【中图分类】TN73在卫星通信系统中，EIRP 值是衡量系统性能的重要技术指标，而在天线增益确定后，该指标主要取决于发射机的输出功率［1］。

为了提高发射机的输出功率，工程中通常采用功率合成的方式实现微波大功率输出，这就对功分器提出了更高的要求［2］。

目前常用的功分器主要有:威尔金森功分器，波导E－T 结、波导H－T 结、3 dB分支波导定向耦合器及波导魔T 等［3 ～7］。

威尔金森功分器是一种微带功分器，插入损耗较大，不适合于大功率合成;波导E－T结和H－T 结功分器是最常用的波导功分器，具有体积小、频带宽、插入损耗低、易加工等优点，缺点是两输出端口之间隔离度仅有－6 dB;3 dB 分支波导定向耦合器的两个输出端口相位相差90°，两路输出之间具有良好的隔离度，但是其带宽较窄。

通过对以上各种功分器分析，本文在其基础上提出了一种新型功分器，在波导E－T 结功分器的基础上大幅提高了两个输出端口间的隔离度。

1 理论分析本文论述的功分器是在波导E－T 结功分器的基础上进行改进的，波导E－T 结功分器可以看成是一种无耗三端口网络，它是由一段波导及从波导宽边接出来的分支波导构成，其轴线平行于主波导的TE10模的电场方向，是一种串联分支［8］，其结构示意图如图1所示。

微带线E 类功率放大器的设计与实现郝新慧,纪学军(中国电子科技集团公司第54研究所,河北石家庄050081)摘　要:E 类功率放大器作为开关模式放大器一种,其理想效率为100%。

一种简单微带线拓扑网络的E 类功率放大器被提出,这种微带线负载网络不仅满足E 类功率放大器工作模式的特殊要求,而且对高次谐波有很好的抑制性,同时通过增加合适的偏置微带线可以拓宽放大器的工作带宽。

采用ADS 软件仿真电路,并在1G H z 频率点电路实现了输出功率为4W ,漏极效率为73.4%,其中漏极效率效率在63%以上的电路带宽为200MH z 。

关键词:E 类功率放大器;高效率;ADS;微带线中图分类号:T N722 文献标识码:A 文章编号:1003-3114(2007)03-39-3Design and R ealization of T ransmission 2line Class E Pow er AmplifiersH AO X in 2hui ,J I Xue 2jun(The 54th Research Institute of CET C ,Shijiazhuang Hebei 050081,China )Abstract :Class 2E amplifiers are a type of switching amplifier offering very high efficiency approaching to 100%.A design methodology ,which could be used for a transmission 2line implementation of a class 2E power amplifier ,is presented.A simple transmission 2line class 2E load netw ork is proposed that offers combined trans formation of the load resistance down to a suitable level ,as well as simultaneous suppression of harm onics in the load.The load netw ork was tested with ADS.A microstrip lay out was designed at 1G H z.A drain efficiency of 73.4%was measured with the output power of 4W.The bandwidth of 200MH z is achieved with the drain efficiency of 63%.K ey w ords :class 2E power amplifier ;high efficiency ;ADS;transmission 2line收稿日期:2006-12-22作者简介:郝新慧(1980-),女,硕士研究生。

目录1概述 (1)1.1课题研究的意 (2)1.2课题的任务与技术要求 (2)1.3课题研究的内容 (2)2 设及方案的论证 (3)2.1功率放大器的种类 (3)2.1.1A类功率放大器 (5)2.1.2B类功率放大器 (7)2.1.3AB类功率放大器 (9)2.1.4D类功率放大器 (10)3信号脉宽调制 (12)3.1正弦脉宽调制 (13)3.2音频信号宽度调制 (16)3.2.1语音信号的时域分析 (17)3.2.2语音信号的谱和能量分布 (19)3.2.3语音和乐音信号的脉宽调制 (21)4单元电路设计与仿真 (24)4.4.1 H桥功率输出器件的选取 (25)4.4.2设计低通滤波器的必要性 (26)4.4.3低通滤波器的设计方案 (27)4.4.4 H桥式功率输出和低通滤波器的设计与仿真 (28)5实物的安装焊接与调试 (28)6结束语 (29)参考文献 (30)附录 (31)D类功率放大器的设计与仿真1概述1.1课题研究的意义随着全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求,迫使人们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。

它应该具有工作效率高，便于与其他数字设备相连接的特点。

D类音频功率放大器是PWM型功率放大器即为模拟开关式音频功率放大器，它符合上述要求。

近几年，国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定进展，几家著名研究机构及公司已试验性地向市场提供了D类音频功率放大器评估模块及技术。

这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子工业、商业界的特别关注。

不久的将来，D类音频功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。

几十年来在音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器一直占据“统治”地位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形式从变压器输出到OTL、OCL、BTL形式过程。

２０１２年１２月１５日第３５卷第２４期现代电子技术ＭｏｄｅｒｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｉｑｕｅＤｅｃ．２０１２Ｖ０１．３５Ｎｏ．２４０．０２～２ＧＨｚＧａＮ分布式功率放大器的原理及设计谢晓峰１’２，肖仕伟１，沈川１（１．中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳６２１９００；２．中国工程物理研究院研究生部，北京１０００８４）摘要：作为一种宽带放大器的结构，分布式放大器结构能够实现高达多个倍频程的带宽，这种结构是由电感元件和晶体管的等效电容构成的栅极和漏极两条人工传输线组成的。

随着第三代宽禁带半导体ＧａＮ的发展，将ＧａＮ技术应用在分布式放大器的设计中，能够得到较高的输出功率，实现宽带功率放大器的设计。

介绍了一种采用４个ＧａＮＨＥＭＴ（高电子迁移率晶体管）设计分布式功率放大器的原理和方法，实现了ｏ．０２～２ＧＨｚ的带宽。

仿真结果表明，带宽内小信号增益大于１０ｄＢ，增益平坦度优于±Ｏ．５ｄＢ，饱和输出功率大于４１ｄＢｍ，ＰＡＥ大于１５％。

．关键词：ＧａＮ；分布式放大器；功率放大器；宽带放大器中图分类号：ＴＮ７２２—３４文献标识码：Ａ文章编号：１００４—３７３Ｘ（２０１２）２４一０１４１一０４Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆ０．０２～２ＧＨｚＧａＮｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒＸＩＥＸｉａｏ—ｆｅｎ９１¨，ＸＩＡ（）Ｓｈｉ—ｗｅｉｌ，ＳＨＥＮＣｈｕａｎｌ（１．ｊｎｓｔｉｔｎｔｅｏｆＥ１ｅｔｒｏｎｌｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ｅｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏ｛ＥｎｇｊｎｅｅｒｉｎｇＰｈｙｓｌｃｓ，Ｍｌａｎｙａｎｇ６２１９００，Ｃｈｉｎａ｝２．ＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌ，ＣｈｌｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅ“ｎｇＰｈｙｓｉｃｓ，ＢｅＵｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｌ：Ａｓａ‘ｙｐｅｏｆｗｉｄｅｂａｎｄａｍｐｌｉｆｉｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｍｐｌｉｆｉｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓａｂｌｅｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｗｉｄｅｂａｎｄａｓｈｉｇｈａｓｓｅｖｅｒａｌｏｃｔａｖｅｓ．Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｗｏａｒｔｉｆｉｃｉａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ１ｉｎｅｓｗｈｉｃｈｉｓｆｏｒｍｅｄｂｙｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｓｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ．ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｗｉｄｅｂａｎｄｇａｐｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＧａＮ，ｉｔｃａｎａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｗｈｅｎａｐｐｌｙｉｎｇＧａＮｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｍｐｌｉｆｉｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆａｄｉｓｔｉｂｕｔｅｄｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆＩｅｒｗｉｔｈ４ＧａＮＨＥＭＴｓ（ｈｉｇｈｅｌｅｃｔｒＤｎｍｏｂｉｌｉｔｙｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）ｗｉｔｈＯ．ＯＺ～２ＧＨｚｂａｎｄｗｉｄｔｈｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕａｌｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌｇａｉｎｗｉｔｈｉｎｔｈｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｉｓａｂｏｖｅ１０ｄＢａｎｄｔｈｅｇａｉｎｆｌａｔｎｅｓｓｉｓ±０．５ｄＢｗｈｉｌｅｔｈｅｓａｔｕｒａｔｅｄｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ４１ｄＢｍａｎｄｔｈｅＰＡＥｉｓｎｏｌｅｓｓｔｈａｎ１５％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧａＮ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｍｐ：ｌｉｆｉｅｒ；ｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｗｉｄｅｂａｎｄａｍｐｌｉｆｉｅｒ０引言随着科学技术的不断发展，对电子系统的功能要求也越来越高，同时电子系统也在朝着高集成度、小型化的方向发展，这对电子系统的带宽就提出了较高的要求。

基于GaN管芯的LS波段宽带功率放大器的设计赵家敏;张瑞;安士全【摘要】针对超宽带(0.8 GHz-5 GHz)功率放大器的设计要求,提出了一种可行的实现方法,采用小信号S参数,利用基于微带线分布参数元件的方法进行输入输出阻抗的宽带匹配电路设计.采用TriQuint公司的TGF2023-02管芯进行电路仿真,测试结果表明,带内增益大于12 dB,饱和功率输出大于39 dBm.测试结果与仿真吻合,验证了此方法的有效性.【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年(卷),期】2015(010)006【总页数】4页(P642-645)【关键词】TGF2023;宽带匹配;功放;小信号【作者】赵家敏;张瑞;安士全【作者单位】中国电子科技集团公司第38研究所,合肥230031;中国电子科技集团公司第38研究所,合肥230031;中国电子科技集团公司第38研究所,合肥230031【正文语种】中文【中图分类】TN722.7+5微波功率放大器是雷达、卫星、导航、通信、电子对抗等设备中重要的组成部分，功放的性能直接影响整个电子设备的性能［1-2］。

随着科技的发展，要求功放轻质化、小型化、超宽带、高能量密度、高可靠性。

TriQuint公司的TGF2023管芯由于价格低、频带宽（达18 GHz）、输出功率大等优点，具有很大的发展和应用空间，但该系列管芯没有对外公开大信号模型和静态I-V曲线，宽带匹配电路设计相对复杂。

本文探讨了一种宽带功放的设计方法，利用小信号S参数法进行管芯的输入输出阻抗匹配，设计了一款0.8-5G的宽带功率放大器，并通过实物测试验证了设计方法的可行性。

微波器件在小信号工作时，被认为在线性状态，是一个线性网络；在大信号工作时，工作在非线性状态，是一个非线性网络。

对于两种工作状态，适用于不同的分析方法。

（1）小信号S参数法［3］：小信号参数是入射波和反射波建立的一组线性关系，在微波电路中用来分析和描述网络的输入输出特性。

专利名称：一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路
专利类型：发明专利
发明人：陈超
申请号：CN202010418232.4
申请日：20200518
公开号：CN111628734A
公开日：
20200904
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，基于市面上常见的方式出现的弊端，为了解决上述两种市面上S波段宽带功放匹配电路实现方式的弊端，在降低成本的同时，提高产品一致性及可靠性。

采用纯微带形式实现了S波段宽带连续波功放的匹配电路网络，使电路可以采用封装集成功率器件的同时不使用一颗高频电容。

在降低了产品成本以及保持同等优良电气性能指标的同时提高了电路的可靠性以及量产一致性。

本申请文件，通过晶体管栅极匹配电路和晶体管漏级匹配电路配合，并且该两个电路采用的事纯微带线电路，匹配电路实际可应用在Cree公司的宽带GaN功率放大管CGH40045F上，主要在2.3GHz～2.7GHz整个400MHz带宽内实现射频信号的放大功能。

申请人：成都微泰科技有限公司
地址：610207 四川省成都市双流区华府大道四段999号
国籍：CN
代理机构：成都弘毅天承知识产权代理有限公司
代理人：杨保刚
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一种1～3 GHz 宽带低噪声放大器的设计
吕杰;刘林海;曹纯;李哲
【期刊名称】《无线电工程》
【年(卷),期】2015(000)005
【摘要】基于电阻负反馈结构，结合理论推导，利用SMIC 018μm RFCMOS 工艺，设计了一种1～3 GHz 的无电感型宽带低噪声放大器。

仿真结果表明，宽带低噪声放大器在频带为1～3 GHz 时， S11＜－15 dB，增益＞14 dB，并在整个频带范围内的平坦度较好，增益波动＜26 dB，噪声系数＜36 dB。

【总页数】4页(P57-60)
【作者】吕杰;刘林海;曹纯;李哲
【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081;中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081;中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081;中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081
【正文语种】中文
【中图分类】TN924+.2
【相关文献】
1.一种0.03～1.7GHz超宽带低噪声放大器的设计与制作 [J], 张帅
2.3GHz～5GHz CMOS超宽带低噪声放大器设计 [J], 王宁章;唐江波;秦国宾;卢安栋;罗婕思
3.一种0.8GHz～6GHz CMOS超宽带低噪声放大器设计 [J], 肖奔;邓爱萍
4.3 GHz~5 GHz CMOS超宽带低噪声放大器分析与设计 [J], 唐江波
5.3GHz～5 GHz CMOS超宽带低噪声放大器分析与设计 [J], 唐江波;
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