基于功率编码的射频微波数字功率转换研究

In order to meet the demand of broadband, multimode, multi-band and a variety of modes co-exist at the same time in communication system such as the wireless communication, space internet and cognitive radio, integrated chip implementation, reconfigurable technology and high efficiency are the inevitable requirement of microwave transmitter. And the digital radio frequency (RF) and microwave power amplifier is an effective way to achieve these requirements. The digital RF and microwave power amplifier, which based on switching power amplifier and combined with power coding signal processing, can achieve direct digital to high power output conversion(POWERDAC). This item is proposed the possible ways to realize the POWERDAC and analyze the scientific problems that need to be solved in the process of implementation. Building the system model and testing the system performance. Using some scientific research methods such as the harmonic balance analysis, pole-zero identification, bifurcation detection method, to study the stability of microwave switch power amplifier which will be driven by digital power coding. Researching on the broadband switching power amplifier and the performance of switching power amplifier with load, which are based on real frequency technique. Through the study of these key issues, proposing the implement of RF and microwave POWERDAC program and constructing the experimental platform to verify the feasibility of the scheme. The transmitter is expected to operate at 2 GHz with bandwidth of 800 MHz, system efficiency higher than 50% and ACPR lower than -45 dBc.

为了满足无线通信、空间互联网、认知无线电等需求，宽带、多带以及多种模式同时并存，集成芯片实现、可重构、高效率是微波发射机的必然要求，射频微波功率放大器数字化是实现这些需求的有效技术途径。数字射频微波功率放大器在开关功率放大器基础上，结合功率编码信号处理，实现数字直接转换为功率输出（POWERDAC）。分析射频微波POWERDAC可能实现途径及需解决的科学问题，构建系统模型并研究系统性能，采用谐波平衡分析、零极辨识、分叉检测等方法研究微波开关功率放大器在数字功率编码驱动时系统稳定性等，基于实频技术的宽带开关功率放大器匹配网络综合，及放大器随负载变化性能研究。通过这些关键问题研究，提出射频微波POWERDAC实现方案，并构建实验平台验证可行性，预计发射机工作频率2GHz，射频带宽800MHz，系统效率50%以上，线性指标满足45dBc。

无线通信等系统对射频发射机提出了带宽、效率、线性等技术指标要求，同时需具备软件可定义、可重构的功能要求。新型数字化发射机架构及高效率功率转换是实现此要求的有效途径。本文围绕射频发射机及功率放大器数字化方案展开研究。具体研究重点包括射频数字序列功率信号编码产生以及信号激励下晶体管工作转换效率提升。通过对输入输出信号进行谐波波形控制使VDS和IDS波形正交，晶体管类似开关状态，提升转换效率；将多端口负载调制理论应用于数字功率放大器设计中，提升发射机平均效率；同时，对射频微波发射机中的传统输入信号进行非线性编码处理，既可以改善信号线性性能，又能提高能量转换效率；最后进一步探索效率增强型数字射频功率发射芯片实现以及数字发射机测试平台构建。 完成的高效率宽带功率放大器效率为无线通信发射机性能提升奠定了基础。具体工作：.（1）带宽为0.6-3.9GHz的多倍频程PA，其输出功率为39.9-42.3 dBm，漏极效率为55-72％宽带高效率功率放大器；.（2）工作于0.7-3 GHz频段的宽带数字双输入Doherty功率放大器。饱和输出功率为优于42 dBm，饱和效率可达60.3%，6 dB回退效率为可达55%。.（3）用模拟电路计算功放射频信号的误差，可替代超宽带通信系统中模数转换器(ADC)，降低系统功耗。根据统计误差，利用优化算法优化线性化器的参数，实现发射机的线性化。在3.5 GHz下进行了平台结合算法的原理性实验，结果表明，误差矢量幅值(EVM)从3.39%提高到0.73%，发射机线性性能优于45dBc..（4）进一步利用CMOS，GaN，InP HBT等工艺，完成了功率放大器、数字发射机集成芯片设计，如基于65 nm 互补金属氧化物半导体工艺验证了所提出的多相位G类双Doherty功率放大器架构，其峰值漏极效率可到58%，为宽带可重构发射机数字化实现及应用奠定了基础。