带增益补偿功能的高效率射频前端功放组件设计--《浙江大学》2014年硕士论文
带增益补偿功能的高效率射频前端功放组件设计
【摘要】：随着无线通信技术的发展,其应用已几乎遍布从工业到民生的各个领域。举例来说,我们日常使用的手机与基站之间的通信就是无线通信领域改变这个时代最为成功的印证。功率放大芯片及模块作为射频前端的重要耗能部件,对于其高效率的追求一直是业界和高校研究的重点。功放效率提升的传统方法是减小导通角。随着功放工作状态由A类,AB类,B类以及C类的逐渐过渡,功放的导通角逐渐减小,功放效率逐渐提高,其代价是增益和线性度的恶化。且导通角为零时,效率理论值为100%,但功率为零,这在实际中没有应用价值。因此,能兼顾功率效率的D类,E类,F类功放也有着广泛的应用,其核心思想是通过减小功放管电流电压的波形在时域上的重叠区域,以及合理控制各谐波频率处的阻抗值,以减小功放管的损耗以及高阶谐波处的射频损耗,进而提升功放效率。
文章首先分析了功放的基本原理及设计方法,并阐述了高效率功放的设计思路。接着,论文基于本课题的设计要求,详细介绍了带增益补偿功能的高效率功放组件的设计过程,对于设计过程遇到的放大器稳定性调试,功放匹配调试,检波网络平坦度设计,链路线性度调试等问题都进行了讨论和分析。最后,文章根据设计要求给出了功放组件详细测试方案并罗列了测试结果。
本文完成的主要工作：
A.设计了带增益补偿功能的射频放大链路方案；
B.设计并调试完成了基于平衡放大器架构的F类功放模块；
C.设计并调试完成了构成射频链路的驱动放大模块,可变增益模块及检波模块；
D.对级联后的射频放大链路系统性能进行了调试及测试。
【关键词】：
【学位授予单位】：浙江大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TN92【目录】：
致谢4-5摘要5-6Abstract6-91. 绪论9-16 1.1. 无线通信领域的发展9 1.2. 射频前端的基本架构及面临挑战9-11 1.3. 功率放大器(PA)的基本介绍11-14
1.3.1. 功率器件的应用概述11-12
1.3.2. 高效率功放实现方案概述12-14 1.4 本课题的设计需求14 1.5 文章的架构14-162. 功率放大器的基本原理16-28 2.1. 射频系统的非线性效应16-22
2.1.1. 谐波失真16-17
2.1.2. 增益压缩17-19
2.1.3. 交调失真19-20
2.1.4. 级联系统的非线性20-22
2.1.5. AM/PM 效应22 2.2. 功率放大器的基本设计方法22-28
2.2.1. 共轭匹配与功率匹配22-24
2.2.2. 负载牵引与等功率曲线24-26
2.2.3. 去嵌26-283. 驱动放大模块设计与调试28-34 3.1 链路整体功率预算以及实现方案概述28-29 3.2. 驱动放大模块设计29-344. 功放模块设计与调试34-67 4.1. 高效率射频功放的设计原理34-42
4.1.1. 过激励Class B与Class F功放的效率分析34-37
4.1.2. F类功放电压波形的生成机理37-39
4.1.3. F类功放的谐波控制策略39-42 4.2. 基于平衡放大器的功放模块设计42-60
4.2.1. 双路平衡放大器的原理42-44
4.2.2. 功放模块设计与调试44-60 4.3. 功放模块测试60-66
4.3.1. 功放模块测试平台搭建60-61
4.3.2. 功放模块测试数据61-66 4.4. 小结66-675. 检波模块设计与调试67-73 5.1. 检波模块的设计构架67-68 5.2. 检波模块的设计68-70 5.3. 检波模块的设计改进70-736. 射频放大链路设计与调试73-85 6.1. 链路输出功率,功率平坦度以及功耗调试74-77 6.2. 链路交调抑制度,谐波及杂波抑制度调试77-84
6.2.1. 链路三阶交调抑制度调试78-80
6.2.2. 链路谐波及杂波抑制度调试80-82
6.2.3. 链路增益边带抑制度及输入驻波比调试82-84 6.3. 系统闭环调试84 6.4. 小结84-857. 总结85-86参考文献86-88作者简介88
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...摘要FPGA技术正处于高速发展时期,新型芯片的规模越来越大,成本也越来越低,低端的FPGA已逐步取代了传统的数字元件,高端的FPGA不断在争夺ASIC的市场份额。先进的ASIC生产工艺已经被用于FPGA生产,越来越丰富的处理器内核被嵌入到高端的FPGA芯片中,基于FPGA的开发成为一项系统级设计工程。本文设计一个基于FPGA语音信号的宽带功率放大器,采用FPGA技术对功放进行优化,以使其达到幅频特性在带内基本平坦的目的。本文首先介绍了FPGA技术及AlteraStratixFPGA,宽带功放的基本原理、基本特性,并设计了一个宽带功放电路,根据其幅频特性曲线,得出设计一个基于FPGA的数字滤波器对其进行补偿的优化方案。然后在MATLAB下,用FDATool工具箱以及Simulink-DSP设计了一个FIR数字滤波器,在QUARTUSII环境下进行了仿真和验证,并得出最终的设计结果。关键词:FPGA,宽带功放,FIR数字滤波器...ABSTRACTFPGAtechnologyisinrapiddevelopmentperiod,thescaleofthenewchipisincreasing,whilethecostismoreandmorelower,low-endFPGAhasgraduallyreplacedthetraditionaldigitaldevices,high-endFPGAisfightingformarketshareofASIC.AdvancedASICproductiontechnologyhasbeenusedforFPGA,moreandmorerichprocessorcoreisembeddedintothehigh-endFPGAchip,FPGA-ingasystem-leveldesign.Inthispaper,abroadbandpoweramplifierbasedonFPGAisdesigned,andoptimizeitbyFPGAtechnologyinordertoachievethebasicflatamplitude-frequencycharacteristicsintheband.ThispaperintroducestheFPGAtechnologyandtheAlteraStratixFPGA,thebasicprinciples,haracteristicsofabroadbandamplifier,thendesignofabroadbandamplifiercircuit,ordingtotheiramplitude-urve,pensation.ThendesignaFIRdigitalfilterinthetoolofMATLABbyFDAToolandSimulink-DSP,simulateandverificateinQUARTUSII,andobtainthefinaldesignresult.KEYWORDS:FPGA,broadbandpoweramplifier,FIRdigitalfilter...目录第一章绪论……………………………………………………………………………………41.1课题的背景…………………………………………………………………41.2论文的主要目标和工作1.3论文的组织和结构第二章FPGA技术及AlteraStratixFPGA……………………………………………62.1引言……………………………………………………………………62.2可变成逻辑器件简介……………………………………………………72.3FPGA设计流程2.4AlteraStratix产品2.4.1Stratix系列产品2.4.2Stratix的平面布局第三章DSPbuileer和Simulink简介3.1引言3.2Simulink概述3.2.1DSPbuilder简介3.2.2DSPbuilder典型设计流程3.3一个简单的建模实例第四章宽带功放的设计与仿真4.1宽带功率放大器的结构与原理4.1.1宽带功率放大器的指标分析4.1.1.1工作频带宽度4.1.1.2增益平坦度与起伏斜率4.1.1.3驻波比与反射耗损...4.1.2LDMOS4.1.3有耗匹配式放大器的结构4.2NE5532和LM1875简介4.3宽带攻率放大器的仿真4.3.1宽带功率放大器的电路图4.3.2仿真与结果4.3.3结果分析与优化方案第五章FIR数字滤波器的原理及结构5.1数字滤波器概述5.2FIR滤波器的主要优缺点5.3FIR滤波器的主要结构5.4FIR滤波器的设计流程第六章FIR数字滤波器设计与系统优化结果6.1MATLAB--FDATOOL设计与分析6.2Simulink--DSPbuilder建模与仿真6.3系统优化结果第七章论文总结参考文献………………………………………………………………………………………63致谢……………………………………………………………………………………………44毕业设计小结…………………………………………………………………………………7附录……………………………………………………………………………………………96...第一章绪论1.1课题的背景宽带功率放大器的应用开始从军用向民用扩展,目前在无线通信、移动电话、卫星通信网、全球定位系统(GPS)、直播卫星接收(DBS)、ITS通信技术及毫米波自动防撞系统等领域有着广阔的应用前景,在光传输系统中,宽带功率放大器也同样占有重要地位。在无线通信、电子战、电磁兼容测试和科学研究等领域,对射频和微波宽带放大器有极大需求,且这些领域对宽带放大器要求各不相同,特别是在通信系统和电子战系统的应用中,对宽带低噪声和功率放大器的性能指标有特殊要求。在设计上传统窄带放大器的端口匹配,一般是按照低噪声或者共扼匹配来设计的,以此获得低噪声放大器或者最大的输出功率。但是,在宽带的条件下,输入/输出阻抗变化是比较大的,此时使用共扼匹配的概念是不合适的。正因为如此,宽带放大器的匹配电路设计方法也与窄带放大器有所不同,宽频带放大器电路结构主要可以分为以下几种:平衡式放大器;反馈式放大器;分布式放大器;有耗匹配式放大器;有源匹配式放大器;达灵顿对结构。1.2论文的主要目标和工作本论文目标是设计一个宽带音频功率放大器,带宽在20-20kHz,并针对幅频特性在带内衰减的特性对进行基于FPGA的优化,使其在带内基本平坦。第一章介绍了宽带功放的发展和地位以及其应用,并阐述了本论文的目标和工作。第二章介绍了可编程逻辑器件的发展历程,FPGA的设计流程,及AlteraStratix产品简介第三章对DSPbuileer和Simulink两个软件进行了简介,并提供了一个简...单的建模实例第四章介绍了宽带功率放大器的结构与原理,并设计和仿真了一个宽带功率放大器,且在其基础上对其进行了结果分析并得出优化方案第五章从数字滤波器的原理入手,介绍了FIR数字滤波器设计流程,研究了FIR数字1
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