毫米波寬帶射頻系統(tǒng)及寬帶高效率功率放大器的研究.pdf

1、隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展及無線傳輸業(yè)務(wù)的不斷普及，無線通信系統(tǒng)需要提供越來越快的數(shù)據(jù)傳輸速率以滿足人們對(duì)于大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅鐭o壓縮高清視頻傳輸、高清無線顯示等等。根據(jù)規(guī)劃，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)要提供比現(xiàn)在快1000倍的傳輸速率。為了達(dá)到這一目標(biāo)，無線系統(tǒng)勢(shì)必需要占用更大的工作帶寬，達(dá)到幾百M(fèi)Hz，甚至上GHz。另外，下一代無線系統(tǒng)需要更高的效率以實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。為了順應(yīng)未來移動(dòng)通信發(fā)展的趨勢(shì)，本文研究了毫米波寬帶射頻收發(fā)系統(tǒng)以及高效率

2、功率放大器的寬帶化設(shè)計(jì)。
　　由于毫米波頻段頻譜資源豐富，毫米波通信技術(shù)成為下一代無線通信候選方案之一，受到了廣泛的關(guān)注與研究。本文研制了毫米波寬帶射頻系統(tǒng)，用于支持對(duì)于毫米波通信技術(shù)的研究。著重解決了帶內(nèi)不平坦對(duì)于單載波系統(tǒng)性能的影響。為了解決毫米波頻段普通濾波器插入損耗較大的問題，本文對(duì)基片集成波導(dǎo)(SIW)濾波器進(jìn)行了研究。作為射頻系統(tǒng)關(guān)鍵器件之一的功率放大器，消耗了發(fā)射機(jī)中的絕大部分能量，高效率的功率放大器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功耗

3、指標(biāo)有著重要影響。功率放大器被寄予希望能夠在寬的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率，覆蓋更多的通信標(biāo)準(zhǔn)，更好地適應(yīng)未來無線通信的發(fā)展。近年來，功率放大器高效率、寬帶化設(shè)計(jì)一直是研究的熱點(diǎn)。
　　本文研究的具體內(nèi)容如下:
　　1)基片集成波導(dǎo)(SIW)濾波器因其較小的插入損耗、易于平面集成等優(yōu)勢(shì)成為毫米波頻段設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)的首選。為了提高濾波器的選擇性，需要在通帶附近引入傳輸零點(diǎn)(TZ)。文中研究了交叉耦合濾波器的設(shè)計(jì)，綜合采用不同腔體之間的耦

4、合以及同一腔體內(nèi)不同模式之間的耦合，設(shè)計(jì)了一款工作于28 GHz的帶通濾波器，帶寬為600 MHz。由于27 GHz、29 GHz處引入了傳輸零點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的濾波器具有很好的過渡帶特性。SIW濾波器由于高次模諧振，會(huì)在上邊帶內(nèi)出現(xiàn)很多個(gè)諧振峰，進(jìn)而使得所設(shè)計(jì)的帶通濾波器的阻帶帶寬受限。文中采用了兩種抑制高次模式的方法，一種方法是在腔體的金屬表面刻蝕細(xì)縫，另一種方法是采用雙耦合窗進(jìn)行腔體與腔體之間的耦合。文中對(duì)這兩者方法作了相關(guān)分析。然后設(shè)

5、計(jì)了一款中心頻率在20 GHz的帶通濾波器，由于高次模被有效的抑制，上阻帶內(nèi)第一個(gè)諧振峰出現(xiàn)在50 GHz處，并且阻帶內(nèi)的抑制達(dá)到30dB，阻帶帶寬被有效地拓寬。相關(guān)研究成果一部分在國(guó)際會(huì)議2016 IEEE InternationalSymposium on Circuits and Systems(ISCAS2016)上發(fā)表，一部分撰文投稿至國(guó)際刊物IETElectronics Letters。
　　2)研制了一套用于Q波段的

6、毫米波通信的收發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作的中心頻點(diǎn)為44.82 GHz，支持500 MHz的工作帶寬。系統(tǒng)采用超外差結(jié)構(gòu)，與基帶采用單端I/Q接口，與天線相接采用SIW過渡接口。中頻點(diǎn)設(shè)為3.78 GHz。為了評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了無線環(huán)境的測(cè)試，在收發(fā)天線間隔2m的情況下，分別用16QAM以及QPSK寬帶調(diào)試信號(hào)作測(cè)試，兩種信號(hào)的碼片速率都為400 Ms/s。信號(hào)經(jīng)過發(fā)射機(jī)發(fā)送，由空間輻射，最終由接收機(jī)接收到的信號(hào)經(jīng)過解調(diào)后，信噪比(SN

7、R)約為20 dB。相關(guān)研究成果已撰文在國(guó)際會(huì)議2016 International Conference on Microwave and Millimeter WaveTechnology(ICMMT2016)上發(fā)表。
　　3)針對(duì)中國(guó)毫米波近遠(yuǎn)程超高速通信標(biāo)準(zhǔn)Q-LINKPAN，研發(fā)原型機(jī)以支持相關(guān)研究。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用二次變頻結(jié)合基帶實(shí)中頻采樣的結(jié)構(gòu)。基帶發(fā)送/接收信號(hào)為某一載波頻率上的實(shí)信號(hào)，經(jīng)過兩次混頻器變頻至毫米波信號(hào)

8、。系統(tǒng)毫米波中心頻點(diǎn)為42.795GHz，支持576 MHz的系統(tǒng)帶寬。接收端基帶配有采樣率為1.92 GHz的AD芯片，用于采樣中心頻點(diǎn)為1.44 GHz的信號(hào)。發(fā)送端基帶DA采樣率為2.64 GHz，產(chǎn)生中心頻點(diǎn)為1.98 GHz的信號(hào)。系統(tǒng)采用TDD工作模式。系統(tǒng)單通道收發(fā)性能采用碼片速率為480 MHz的單載波64QAM信號(hào)進(jìn)行無線測(cè)試，接收到的信號(hào)經(jīng)過數(shù)字均衡后達(dá)到28dB的信噪比。系統(tǒng)采用2×4 MIMO方式工作后，系統(tǒng)的傳

9、輸速率高達(dá)4095Mbps。
　　4)研究了連續(xù)逆F類功率放大器的電壓和電流的理論波形，并對(duì)其做出修正，使得三次諧波阻抗變成一個(gè)可以變化的范圍，進(jìn)一步釋放對(duì)于阻抗條件的限制。相應(yīng)地設(shè)計(jì)一個(gè)工作在2.1～2.4 GHz的高效率功率放大器進(jìn)行驗(yàn)證，比較了實(shí)際輸出網(wǎng)絡(luò)阻抗與理論阻抗條件的契合度。所設(shè)計(jì)的功率放大器在帶內(nèi)保持大于71％的漏極效率。相關(guān)研究成果已在國(guó)際刊物Microwave Journal上發(fā)表。
　　5)研究了寬帶功

10、率放大器設(shè)計(jì)中的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題。文中對(duì)傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化實(shí)頻技術(shù)(SRFT)算法進(jìn)行了修改，能夠一次性綜合出包含有用于直流饋電枝節(jié)的匹配網(wǎng)路，并且綜合出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分緊湊。利用提出的算法設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在1.7～3.1 GHz的寬帶高效率功率放大器，在帶內(nèi)具有68.07％～79.49％的漏極效率和40.93～42.4 dBm的輸出功率。另外由于匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)的功率放大器具有非常小的尺寸。相關(guān)研究成果已在國(guó)際刊物IEEE Microwav