臺灣博碩士論文加值系統

目錄
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論文口試委員會審定書
誌謝 iii
中文摘要 iv
英文摘要 v
目錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xvii
第一章 緒論 ............................................................................................1
1.1 研究背景...................................................................................1
1.2 研究動機與目的.......................................................................3
1.3 論文架構....................................................................5
第二章 功率放大器與功率分配器之原理介紹.................................... 6
2.1 功率放大器的架構及原理介紹............................................... 6
2.2 功率放大器分類.......................................................................8
2.2.1 線性功率放大器 .............................................................. 11
2.2.2 非線性功率放大器 ..........................................................17
2.3 功率放大器參數介紹.............................................................22
2.3.1 高頻分析的散射 S 參數..................................................23
2.3.2 功率增益(Power Gain).....................................................26
2.3.3 效率(Efficiency)...............................................................28
2.3.4 穩定度(Stability)..............................................................29
2.3.5 一分貝增益壓縮(1dB Gain Compression Point：P1dB).. 34
2.3.6 失真(Distortion) ......................................................37
2.3.7 鄰近通道功率比例(Adjacent Channel Power Ratio)...... 45
2.3.8 誤差向量幅度(Error Vector Magnitude) .........................47
2.3.9 三階截斷點(third order intercept point,IP3)....................48
2.4 負載線原理(Load Line Theory) .............................................50
2.5 最佳負載線匹配(Load Pull)...................................................56
2.6 功率等位圓(Constant Power Contour)...................................58
2.7 史密斯圓分析方法.................................................................64
2.8 功率分配器的架構及原理介紹.............................................69
2.8.1 威爾金森功率分配器(Wilkinson Power Divider) ..........71
第三章 AB 類型功率放大器與寬頻威爾金森功率分配器之設計 ... 80
3.1 功率放大器電路模擬與佈局設計.........................................80
3.2 非線性模型(Non-Linear model)之建立.................................82
3.3 應用於 2.4 GHz 單級功率放大器模擬 .................................86
3.4 威爾金森功率分配器電路模擬與佈局設計.......................102
3.4.1 使用 ADS 模擬 Wilkinson Power Divider 之傳輸線... 102
3.4.2 使用 ADS 模擬 Wilkinson Power Divider 之電路特性104
第四章 電路實作與量測 ....................................................................108
4.1 功率放大器電路實作與量測...............................................108
4.1.1 功率放大器實際電路製作............................................108
4.1.2 功率放大器-參數量測................................................... 110
4.1.3 討論與結果 ....................................................................120
4.2 威爾金森功率分配器電路實作與量測...............................121
4.2.1 威爾金森功率分配器實際電路製作與量測................121
4.2.2 討論與結果 ....................................................................123
第五章 結論 ..................................................................124
參考文獻 ..........................................................................126


圖目錄
圖 1.1 超寬頻未來應用 ..........................................................2
圖 1.2 超寬頻系統與傳統的窄頻訊號比較之示意圖............................ 2
圖 1.3 射頻前端系統示意圖 .....................................................5
圖 2.1 基本功率放大器示意圖 ................................................................ 6
圖 2.2 各類線性功率放大器的操作偏壓點............................................ 9
圖 2.3 為此兩類放大器的線性度與功率轉換效率關係圖..................10
圖 2.4 典型共源級 A 類型功率放大器電路圖架構.............................12
圖 2.5 電晶體操作在 A 類型功率放大器之輸出波形.........................13
圖 2.6 互補式 B 類型功率放大器電路圖架構 .....................................14
圖 2.7 電晶體操作在 B 類型功率放大器之偏壓選擇點與輸出波形 . 14
圖 2.8 B 類型功率放大器之轉換曲線圖................................................15
圖 2.9 AB 類型功率放大器電路圖架構.................................................16
圖 2.10 電晶體操作在 AB 類型功率放大器之偏壓選擇點及輸出波形........16
圖 2.11 AB 類型功率放大器之轉換曲線圖...........................................17
圖 2.12 電晶體操作在 C 類型功率放大器之偏壓選擇點及輸出波形18
圖 2.13 導通角與輸出功率及效率之關係............................................19
圖 2.14 D 類型功率放大器電路圖架構 .................................................20
圖 2.15 D 類型功率放大器之輸出波形 .................................................20
圖 2.16 E 類型功率放大器電路圖架構..................................................21
圖 2.17 F 類型放大器加入三階諧振電路圖架構..................................22
圖 2.18 F 類型放大器加入第三、五階諧振電路圖架構......................22
圖 2.19 雙埠網路電路 .............................................23
圖 2.20 雙埠網路之功率關係圖 ............................................................27
圖 2.21 功率附加效率示意圖 ................................................................29
圖 2.22 單級放大器反射係數與阻抗示意圖........................................30
圖 2.23 輸入及輸出穩定圓-無條件穩定...............................................34
圖 2.24 一分貝增益壓縮點之線性度定義............................................35
圖 2.25 單音輸入頻率放大之諧波失真示意圖....................................38
圖 2.26 增益壓縮與相位漂移度示意圖................................................39
圖 2.27 雙埠元件的輸入與輸出頻譜....................................................40
圖 2.28 雙埠元件中定義二階截斷點(SHI)在輸入(SHIIN)與輸出(SHIOUT)..42
圖 2.29 經非線性轉換函數展開後的輸出頻譜圖(至三階) .................43
圖 2.30 非線性網路之二階和三階交互調變輸出頻譜........................45
圖 2.31 頻譜增長示意圖 ....................................................46
圖 2.32 誤差向量幅度定義之示意圖....................................................47
圖 2.33 三階截斷點 IP3 示意圖及三階截斷點之定義 ........................49
圖 2.34 IV-Curve 與負載線 .................................................51
圖 2.35 (a)理想放大器在最佳負載阻抗時的輸出波形示意圖與(b)、(c)非最佳負載阻抗(RHI虛線、RLO實線)之分析..........52
圖 2.36 RHigh類型在並聯一個電納時的輸出波形.................................54
圖 2.37 RLow類型在串聯一個電抗時的輸出波形.................................55
圖 2.38 動態負載線軌跡圖 .........................................................55
圖 2.39 最佳負載阻抗類型的動態負載線軌跡圖................................56
圖 2.40 最佳負載匹配 .........................................................57
圖 2.41 不同負載阻抗下的負載線........................................................58
圖 2.42 Load pull 軌跡曲線圖..............................................59
圖 2.43 兩點最佳輸出阻抗不同的負載值............................................60
圖 2.44 RLO = Ropt / P 時的電壓與電流振幅 ..........................................61
圖 2.45 PLO = Popt / p 時等功率軌跡.................................................62
圖 2.46 RHI = Ropt * p 時的電壓與電流振幅...........................................62
圖 2.47 PHI = Popt / p 時等功率軌跡 ...........................................63
圖 2.48 等功率軌跡圖(Constant Power Contour)..................................64
圖 2.49 定電阻圓 .........................................................67
圖 2.50 定電抗圓 .............................................................68
圖 2.51 功率分配與功率合併示意圖....................................................69
圖 2.52 電阻型 T 型功分器......................................................70
圖 2.53 傳輸線分支兩段微帶線結構功分器........................................70
圖 2.54 方向性耦合器 ..........................................................71
圖 2.55 T 型接面(T junction)等效傳輸線模型.......................................72
圖 2.56 微帶線製作的等功率威爾金森分配器....................................72
圖 2.57 Wilkinson Power Divider 等效模型 ...........................................73
圖 2.58 端埠 2 或端埠 3 為輸入端之電路分析....................................74
圖 2.59 正規化對稱 Wilkinson Power Divider......................................74
圖 2.60 威爾金森等效電路切割為二的等效電路-偶模輸入電路.......75
圖 2.61 威爾金森等效電路切割為二的等效電路-奇模輸入電路.......76
圖 2.62 威爾金森功率分配器 (a)端埠 2 及端埠 3 接負載；(b)依對稱性的等效電路 ....................77
圖 2.63 端埠 1 為輸入端分析之電路....................................................79
圖 3.1 設計流程圖 ....................................................81
圖 3.2 AVAGO ATF-54143 Feature..........................................................83
圖 3.3 ATF-54143 電晶體大訊號模型示意圖........................................83
圖 3.4 ADS 模擬功率元件電壓與電流模擬電路圖 ..............................84
圖 3.5 Agilent ADS 模擬電晶體 IV-Curve 負載線軌跡圖 ....................85
圖 3.6 功率電晶體驗證電路模型 ..........................................................86
圖 3.7 AB 類功率放大器電路架構圖.....................................................86
圖 3.8 功率放大器匹配電路架構 ..........................................................87
圖 3.9 功率放大器之 Load Pull 匹配模擬電路環境 ............................88
圖 3.10 功率放大器之 Load Pull 軌跡曲線圖模擬結果 ......................89
圖 3.11 功率放大器輸出匹配的阻抗值 ................................................89
圖 3.12 功率放大器輸出端的平衡阻抗點............................................90
圖 3.13 功率放大器之 Smith Chart 輸出端匹配...................................90
圖 3.14 功率放大器之 Source Pull 匹配模擬電路環境 .......................91
圖 3.15 功率放大器之 Source Pull 軌跡曲線圖模擬結果 ...................92
圖 3.16 功率放大器輸入匹配的阻抗值................................................92
圖 3.17 功率放大器輸入端的平衡阻抗點............................................93
圖 3.18 功率放大器之 Smith Chart 輸入端匹配...................................93
圖 3.19 功率放大器-非理想輸入與輸出匹配電路...............................94
圖 3.20 S 參數 Pre-simu 模擬特性圖......................................................95
圖 3.21 PA 之 P1dB @ 2.4 GHz...............................................95
圖 3.22 PA 之 IIP3 @ 2.4 GHz ................................................96
圖 3.23 整體佈局 Layout 線路....................................................97
圖 3.24 功率放大器-代入佈局 Layout 線路 .........................................98
圖 3.25 S 參數 Post-simu 模擬特性圖....................................................99
圖 3.26 PA 之 P1dB @ 2.4 GHz ..........................................99
圖 3.27 PA 之 IIP3 @ 2.4 GHz .............................................100
圖 3.28 功率放大器 S 參數 Pre-simu 與 Post-simu 模擬比較特性圖101
圖 3.29 微帶線製作的等功率威爾金森分配器..................................102
圖 3.30 ADS 模擬軟體 LineCalc 計算傳輸線-線寬 W 與線長 L....... 103
圖 3.31 微帶線 MLIN 元件之電路......................................................104
圖 3.32 威爾金森功率分配器 S 參數 Pre-simu 模擬特性圖 .............105
圖 3.33 傳輸線佈局 Layout 線路.........................................................105
圖 3.34 威爾金森功率分配器代入佈局 Layout 線路.........................106
圖 3.35 威爾金森功率分配器 S 參數 Post-simu 模擬特性圖............ 107
圖 3.36 威爾金森分配器 S 參數 Pre-simu 與 Post-simu 比較特性圖107
圖 4.1 MuRata 電感 Data sheet...............................................109
圖 4.2 MuRata 電容 Data sheet...............................................109
圖 4.3 透過網路分析儀-量測 S 參數使用機台量測示意圖 .............. 111
圖 4.4 功率放大器 S 參數 simulated 與 measured 比較特性圖......... 112
圖 4.5 量測線性度參數之使用機台示意圖........................................ 113
圖 4.6 功率放大器線性度量測整理圖................................................ 116
圖 4.7 量測非線性參數之使用機台示意圖........................................ 117
圖 4.8 2.20 GHz 與 2.21 GHz 兩相近之頻率產生諧波....................... 118
圖 4.9 功率放大器在 2.2 GHz 量測三階截斷點 IIP3特性圖............. 118
圖 4.10 2.4 GHz Class AB Power Amplifier 電路成品......................... 119
圖 4.11 威爾金森功率分配器 S 參數 simulated 與 measured 特性圖122
圖 4.12 Wilkinson Power Divider for Wide Band 電路成品.................122

表目錄
表 1.1 超寬頻通訊系統與其他無線通訊系統規格比較........................ 2
表 2.1 電晶體特性比較表 .................................................7
表 2.2 各類放大器特性整理總表 ............................................................ 9
表 2.3 功率放大器兩種分類方式 .......................................................... 11
表 2.4 功率放大器的分類 ................................................17
表 2.5 史密斯圖於匹配網路設計之應用原則......................................68
表 3.1 功率放大器 Pre-simu 與 Post-simu 模擬特性比較總表 .........100
表 3.2 2.4 GHz 威爾金森分配器的設計尺寸.......................................103
表 4.1 PCB FR4 板材數據..........................................................108
表 4.2 量測儀器列表 ............................................................... 110
表 4.3 功率放大器 simulated 與 measured 特性比較總表................. 119
表 4.4 量測儀器列表 ..........................................................121

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