未来无线通信中支持峰均比可变信号的频段和效率可调的功率放大器研究

Complex carrier aggregation and high-order modulation will be employed in future wireless communication systems to achieve high-speed transmission, leading to dynamic variation of the bandwidth and peak to average power ratio (PAPR) of the modulated signals. This brings in revolutionary development for the power amplifier design. Conventional high-efficiency power amplifiers have specific operational bandwidth and back-off power range, which can hardly meet the requirements of future communication systems. This project is to investigate a wideband load modulated power amplifier with tunable bandwidth and efficiency to satisfy the requirements of different operational bandwidths and back-off power ranges, which targets at the modulated signals with variable bandwidth and PAPR in wireless communication systems. By analyzing the interrelationship and interaction between the main and auxiliary amplifiers comprehensively, the analysis and design theory of the load modulation network under mutual matching can be studied, and an optimization method, which can optimize the main and auxiliary matching networks as a whole network, can be proposed to achieve wideband matching. In addition, the compensation effect of the auxiliary output impedance will be analyzed, and then a method with output network phase control can be proposed to achieve tunable bandwidth and back-off power range of the amplifier for different modulated signals. To further enhance the efficiency, a combining point impedance transformer which can enhance the back-off efficiency will also be studied. Finally, the research of the fundamental mechanism of the power amplifier with tunable bandwidth and efficiency will be finished, which can drive innovation and development of the high-efficiency power amplifiers.

未来宽带无线通信系统将采用复杂的载波聚合和高阶调制等方式来实现高速传输，引起了调制信号频带和峰均比的动态变化，也给功率放大器设计带来了巨大的挑战。传统高效率功率放大器只能在特定频段和回退范围内工作，难以满足未来的需求。本项目针对无线通信中调制信号频带/峰均比变化的问题，研究一种频段和效率可调的宽带负载调制型功率放大器，满足不同频段和不同回退范围内的工作需求。通过全面分析主路和辅路放大器的相互影响，研究主/辅路互匹配作用下宽带负载调制输出网络的分析设计理论，提出主/辅路输出网络整体优化的方法，解决放大器宽带匹配的问题。在此基础上，研究辅路输出阻抗的补偿机理，提出通过输出网络相位来控制放大器频段和回退范围的方法，满足不同调制信号的需求。为了进一步提高效率，研究基于合路阻抗变换网络的回退效率增强机理。最终将完成频段和效率可调的功率放大器关键机理研究，推动高效率功率放大器理论创新和发展。

针对当前复杂调制信号带宽增加和峰均比变化给负载调制型/Doherty功率放大器的工作带宽和回退效率带来的巨大挑战，本项目主要围绕以下三个方面展开深入研究工作。首先，本项目分析研究了传统Doherty功率放大器中主路和辅路放大器的相互影响，提出了主/辅路互匹配作用下的宽带和多频段负载调制网络分析设计方法。其次，本项目探索了基于谐波匹配的回退效率增强机理，分别实现了采用谐波控制网络和合路阻抗变换网络的效率提升技术。最后，本项目研究探索了关于Doherty功率放大器的频率和回退效率可调方法和技术。. 通过深入研究，本项目针对Doherty功率放大器，提出了集成电抗补偿宽带/多频段负载调制网络设计方法，设计实现了相对带宽为48%，9.5dB回退效率高于50%的宽带三路Doherty功率放大器，在公开报道中性能指标处于国际领先水平。提出了采用谐波匹配网络和合路阻抗变换网络实现谐波控制的效率增强方法，设计实现了9dB回退效率高于45%的5G频段宽带对称式Doherty功率放大器。提出了基于可调相移网络的频段和效率可调方法，研究了采用互易偏置电压设计的具有不同回退效率的宽带和双频带可调Doherty功率放大器，通过对调栅极偏置电压，结合主辅路匹配网络的相位互易性，实现了在3-3.8 GHz的宽带模式以及2.4和4.4 GHz双频带模式两种状态下高效率工作。本项目的实施为应用于宽带/峰均比变化复杂调制信号的宽带高效率功率放大器设计提供了可能的解决方案。在保证高回退效率的前提下，实现了频段和效率可调的宽带高效率功率放大器，推动了相关设计理论创新和发展，具有重要的科学和应用价值。. 在本项目的支持下，累计发表SCI期刊论文12篇，EI收录国际会议论文3篇，中文核心期刊论文1篇，申请国家发明专利6项，授权国家发明专利2项；完成10余款宽带高效率负载调制型/Doherty功率放大器及可调功率放大器样机；培养毕业研究生6人。实际取得各项成果数量均超过预期目标。