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随着大流量移动宽带业务、大规模物联网技术以及工业自动化设备的需求不断高涨,未来无线通信系统需要更快的数据传输速度、更大的数据容量以及更低的信号延迟,而这也对无线射频发射机的性能指标提出了更高的要求。作为射频发射机末端不可或缺的组成部分,功率放大器是整个发射机中能耗最大的模块,其效率指标在很大程度上能够约束整个射频发射机的工作效果与电池寿命,因此如何提升功率放大器的效率指标具有重大的研究意义。相对于传统的Si、Ge基CMOS器件,GaAs pHEMT器件拥有较佳的频率响应特性、功率-损耗因数、功率密度与击穿电压,这些优良特性使得基于GaAs pHEMT的放大器拥有较高的输出功率与功率附加效率,因此GaAs pHEMT晶体管是设计射频高效率功率放大器的绝佳选择。基于上述背景,本文针对GaAs pHEMT器件进行小信号与大信号建模,并利用所建的大信号模型设计一款F类高效率功率放大器,主要开展了如下工作:一、基于GaAs pHEMT器件的21元件小信号模型。对小信号模型参数的物理意义进行分析,采用反向截止法、器件栅宽比例关系等方法进行模型参数提取,建立了基于GaAs pHEMT的传统16元件小信号模型。对于16元件小信号模型在高频时的S12与S21拟合效果不佳的遗憾,本文在其基础上添加了表征欧姆正偏效应的充电电阻Rgd、模拟栅源传导电流效应的电阻Rfs以及描述器件多栅指效应的栅指电容,成功改善了GaAs pHEMT器件小信号模型S参数的拟合精度,使其在2~50GHz范围内的拟合误差小于6%。二、基于GaAs pHEMT器件的温度依赖EEHEMT大信号模型。在小信号模型的基础上,借助多偏置下的S参数测试数据,分别提取GaAs pHEMT器件的肖特基二极管参数、跨导参数、漏源电流参数与电荷参数,建立了EEHEMT大信号模型。此外,通过修正EEHEMT模型中的自热效应参数Peff,克服了仅利用模型内置温度参数无法准确模拟器件高温特性的缺点,使其在25℃和85℃下的直流、S参数以及功率特性均具有良好的拟合效果,提高了模型在功率放大器设计中的预测精度。三、谐波控制F类高效率MMIC放大器。分析了电流源端面和晶体管非理想因素对电路设计产生的不良影响,提出采用谐波控制理论拓展匹配电路设计空间的F类放大器设计方法。并提出一种基于多级LC结构的谐波匹配电路,克服了传统匹配结构难以实现高次谐波匹配的缺点,实现了F类放大器基波与高次谐波的良好匹配。结合上述方法与温度依赖EEHEMT大信号模型,设计了一款F类高效率MMIC放大器。后仿结果显示,在10GHz时放大器的PAE达到最大值62.4%,对应的输出功率为22.85dBm,功率增益为7.85dB,此外放大器输出功率的3dB带宽达到7.2GHz,在7.9~11.2GHz范围内PAE均超过50%。