[发明专利]基于X参数模型的负载调制平衡功放设计方法

说明书

本发明公开了基于X参数模型的负载调制平衡功放设计方法，该方法首先提取单个晶体管的X参数模型，然后通过负载牵引的方式选取目标阻抗值，作为优化阻抗匹配电路的目标，以此得到平衡功放和信号控制功放，组合得到经典平衡功放对，再对其提取X参数模型。根据微带特征插入相位调制网络，最后完成电路各模块的组装与系统级调试，还引入了散热装置，实现了在频带范围内稳定工作的功率放大器。本申请的方法克服了单管X参数模型只包含负载反射系数的幅度和相位信息而不满足负载调制平衡功放结构的缺点。配合负载牵引的方式，可以快速、准确地完成阻抗匹配电路的设计，使功放保持稳定的输出、达到较高的输出功率回退效率以及高输出功率回退区间。

技术领域

本发明属于微电子器件建模及射频功率放大器设计领域，具体涉及基于X参数模型的负载调制平衡功放(LMBA)设计方法。

背景技术

随着现代通信系统对传输数据量的提高，射频功放作为射频发射机系统中最耗能的一部分，需要解决效率和线性度相冲突的问题。功率回退效率是衡量射频功放解决效率和线性度相冲突问题的重要指标。目前已经提供了很多方法来提高功放回退效率，如Doherty功率放大器技术、异相功率放大器技术和负载调制平衡功率放大器技术；其中LMBA技术因其宽带宽特性和高回退区间而受到广泛关注。

新型半导体材料GaN具有宽禁带、高电离度、高功率密度、高电子饱和速度、高输入阻抗等优异特点。GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的热点，是研制光电子器件和微电子器件的新型半导体材料。基于新材料GaN的晶体管有利于实现高输出功率、高效率、宽频带。GaN HEMTs作为新三代固态微波功率器件，在射频微波功率放大应用方面具有显著的性能优势。这种器件能够很好的应用于超高速和超高频领域，目前在GaN微波射频领域取得了显著的成效，成为了无线通信接收系统中具有潜力的功率器件。因此开发出高效GaN微波功率器件，对推动移动通信技术的发展意义重大。然而，如何能够高效准确提取GaN微波功率器件的模型是人们一直致力于解决的问题。

准确的器件模型是设计高性能PA的基础，到目前为止，等效电路模型仍然是PA设计者可选择的主要功率器件模型。然而，由于这些模型固有的提取/模型设计过程冗长，人们将注意力转向了行为模型，如X参数模型，它为射频功率晶体管的表征提供了另一种方法，可以直接从设备中快速准确地提取。但基于X参数模型进行各类功放的设计的工作却还有待进一步的研究，LMBA结构就是其中目前还没有被涉及到的一种。由于单管的X参数模型只包含负载反射系数的幅度和相位信息，不满足LMBA结构设计所需的条件。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了基于X参数模型的负载调制平衡功放设计方法，为LMBA功率放大器的设计提供了一种新的思路，提取晶体管的X参数模型后通过负载牵引的方式寻找最佳阻抗匹配区域，设计单个平衡功放和信号控制的输入输出阻抗匹配电路；并对基于X参数模型设计经典平衡功放对整体提取了X参数模型，将其与基于X参数模型设计的信号控制功放组合实现LMBA结构。

基于X参数模型的负载调制平衡功放设计方法，具体包括以下步骤：

步骤一、单管的X参数模型提取

根据负载调制平衡功放(LMBA)目标工作带宽设置单个平衡功放和信号控制功放的输入频率、偏置条件、输入功率和负载反射系数Γ的幅度间隔和相位间隔，分别提取晶体管的X参数模型。

步骤二、获取最佳阻抗匹配区域

利用负载牵引的方法，分别提取出单个平衡功放和信号控制功放满足要求的最佳阻抗匹配区域，具体步骤包括：

S2.1、对所提取晶体管的X参数模型在对应的输入频率、偏置条件、输入功率条件下进行负载牵引，通过调节收敛圆的半径大小和圆心坐标位置，得到完整的功率附加效率等值圆和输出功率等值圆。

S2.2、将提取出对应频点下满足最低设计要求的功率附加效率等值圆和输出功率等值圆，这两个等值圆的交集区域则视为在该频点处满足设计目标的最佳阻抗区域。