无记忆半物理行为框架下异相功率放大器理论与方法研究

It is required that RF power amplifier should be operated with higher linearity, low power loss and higher integration to meet the arrival of the 5G Era, because it is the largest energy consuming module in communication terminal transceiver. The traditional Outphasing technology can solve the contradiction between efficiency and linearity of power amplifier to some degree, but it still have some non-linear problems including AM-AM distortion, AM-PM distortion and dynamic load caused by non-isolated combiner. To begin with, this research establishes a novel memoryless semi-physical behavioral model by mathematical modeling, improving the nonlinearity of power amplifier caused by AM-AM distortion and AM-PM distortion. Furthermore, considering the problem of dynamic load in power amplifier of outphasing system, we will employ an load-insensitive switch-mode power amplifier, which is suitable for higher dynamic range of load modulation. In addition, in order to reduce the power loss, the improved Chireix combiner based on transformer topology is used to combine the two outphasing signal. Meanwhile, the new simplified outphasing system will be achieved by optimizing traditional outphasing architecture. Finally, we will integrate all the stages of the research results, and then design a fully integrated CMOS Outphasing RF power amplifier with high linearity and low power. This kind of CMOS Outphasing RF power amplifier is suitable for the next generation communication system, and would be simulated, taped out and tested as well.

射频功率放大器是通信终端收发机中耗能最大的模块，需要具备更高的线性度和更低的功率损耗以及更高的集成度以迎接5G时代的到来。传统的异相技术虽可在一定程度上缓解功放中效率和线性度之间的矛盾，但是存在着AM-AM失真、AM-PM失真以及非隔离合成器引起的功放动态负载等非线性问题。本项目首先建立新型的无记忆半物理行为数学模型改善AM-AM失真与AM-PM失真对功放非线性的影响；其次，考虑到异相系统的功放动态负载问题，支路功率放大器采用非敏感负载开关模式功放，使其适用于较高的动态负载调制范围；另外，为了降低系统的功率损耗，采用改进型基于变压器结构Chireix合成器对两路异相信号进行功率合成，同时对传统异相系统进行优化，提出一种新型的异相系统简化模型；最后，我们将集成阶段性研究成果，设计一种适用于下一代通信系统的具有高线性度和低功耗的全集成CMOS异相射频功放，并进行仿真、流片和测试。

1. 项目的背景、主要研究内容. 现有的4G技术已经无法满足如此庞大的数据业务传输需求，为适应未来5G无线通信网络低成本、低能耗、安全可靠、传输速率提升，端到端的延时降低的需要。现代移动通信终端也将发生重大变革，特别是在其性能上，都将要求具有高效节能的特性。射频功率放大器（PA）存在于各种现代无线通信系统的末端，是整个终端系统收发机中功耗最大的模块，其性能的好坏直接影响到整个终端系统的性能。其次，在现代无线通信标准以及未来5G的调制模式，不仅要求PA具有更高的效率和更大的带宽，而且要求具有更高的线性度。然而，由于射频功率放大器的放大信号的带宽和信道一般难以达到一致，通常会产生幅度和相位失衡，从而产生非线性失真。为了消除非线性失真，同时兼顾PA的效率，则需要妥善处理线性度与效率的矛盾关系，以及采用行之有效的线性化技术。因此，如何解决系统中失真所引起的性能降低问题，以及如何实现对传统的PA模型进行优化，在迎接未来5G时代中将具有重要意义。本项目研究内容包括：探究无记忆半物理行为框架下异相功率放大器的理论基础与实现方法。通过对AM-AM失真与AM-PM失真进行定性与定量分析，建立适用于异相功放系统线性化的无记忆半物理行为模型，以此数学模型为依据，消除非线性失真对系统线性度的影响，同时在此基础上建立基于非隔离Cheriex功率合成的新型异相功放系统模型，并对系统进行优化，降低系统设计的复杂度。.2. 重要结果、关键数据.（1）提出一种新型的基于传统静态记忆行为的异相功放系统无记忆半物理行为模型，解决传统动态行为模型系统计算复杂度高的问题。.（2）提出一种异相系统非敏感负载开关模式E类支路功放模型的研究，使得功放系统的支路具有较高的负载可调特性。.（3）提出了一种优化传统异相功放系统的理论模型，解决传统设计方案无法在更宽的输出功率范围提升效率的问题，同时针对现有的异相功放系统进行数学建模优化。.3. 科学意义. 传统无记忆物理行为模型基础上很难兼顾AM-PM失真的问题，本研究提出一种探究无记忆半物理行为框架下异相功率放大器的理论基础与实现方法，将为高性能射频功率放大器在新领域的开发和应用提供一定的理论基础和实践依据。