电子科技大学
硕士学位论文
基于F类功率放大器的Outphasing发射机研究
姓名：邓向科
申请学位级别：硕士
专业：电路与系统
指导教师：何松柏
20100501
实验四：射频功率放大器 【实验目的】 通过功率放大器实验，让学生了解功率放大器的基本结构，工作原理及其设计步骤，掌握功率放大器增益、输出功率、频率范围、线性度、效率和输入/输出端口驻波比等主要性能指标的测试方法，以此加深对以上各项性能指标的理解。 【实验环境】 1．实验分组：每组2~4人 2．实验设备：直流电源一台，频谱仪一台，矢量网络分析仪一台，功率计一只，10dB衰减器一个，万用表一只，功率放大器实验电路 板一套 【实验原理】 一、功率放大器简介 功率放大器总体可分成A、B、C、D、E、F六类。而这六个小类又可以归入不同的大类，这种大类的分类原则，大致有两种：一种是按照晶体管的导通情况分，另一种按晶体管的等效电路分。按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角大小，功率放大器可分A、B、C三类。在信号的一周期内管子均导通，导θ（在信号周期一周内，导通角度的一半定义为导通角θ），称为A 通角? =180 θ。导通时间小于一半周期的类。一周期内只有一半导通的成为B类，即? =90 θ。如果按照晶体管的等效电路分，则A、B、C属于一大称为C类，此时? <90 类，它们的特点是：输入均为正弦波，晶体管都等效为一个受控电流源。而D、E、F属于另一类功放，它们的导通角都近似等于? 90，均属于高功率的非线性放大器。 二、功率放大器的技术要求 功率放大器用于通信发射机的最前端，常与天线或双工器相接。它的技术要求为： 1. 效率越高越好 2. 线性度越高越好 3. 足够高的增益
4. 足够高的输出功率 5. 足够大的动态范围 6. 良好的匹配（与前接天线或开关器） 三、功率放大器的主要性能指标 1.工作频率 2.输出功率 3.效率 4.杂散输出与噪声 5.线性度 6.隔离度 四、功率放大器的设计步骤 1.依据应用要求（功率、频率、带宽、增益、功耗等），选择合适的晶体管 2.确定功率放大器的电路和类型 3.确定放大器的直流工作点和设计偏置电路 4.确定最大功率输出阻抗 5.将最大输出阻抗匹配到负载阻抗（输出匹配网络） 6.确定放大器输入阻抗 7.将放大器输入阻抗匹配到实际的源阻抗（输入匹配网络） 8.仿真功率放大器的性能和优化 9.电路制作与性能测试 10.性能测量与标定 五、本实验所用功率放大器的简要设计过程 1. PA 2. 晶体管的选择 本实验所选用的晶体管为安捷伦公司的ATF54143_PHEMT，这种晶体管适合用来设计功率放大器。单管在～处能达到的最大资用增益大于18dB，而1dB压缩点高于21dB。
射频功放简介 随着人类社会生产力的发展和社会的进步，人们迫切地需要在远距离迅速而准确地传送信息，这就使得无线通讯（尤其是个人无线通讯）取得了迅猛的发展。这样占无线通讯设备35%左右成本的重要部件——“射频功放”，就引起了众多厂商、尤其是研发重点向移动通讯领域快速发展的我公司的极大关注。 一．术语 1．射频：广义来说就是适用于无线电传播的无线电频率。 其下限约为几十~~几百KHz，上限约为几千~~几万 MHz。 2．微波：通常将频率高于300MHz的分米波、厘米波、毫米波波段统称为微波。 3．射频功放：就是将发射机里的振荡器所产生的射频小功率，经过一系列的放大——激励级、中间级、末前级、 末级功率放大级，获得足够大的射频功率的装置。射频 功放是发送设备的重要组成部分。 二．射频功放的分类 1．放大器按照电流通角的不同，可分为A类（甲类）、AB 类（甲乙类）、B类（乙类）、C类（丙类）。一般的射频 放大器工作在A类、AB类、B类、C类状态；我们公 司目前所做的射频放大器基本上都工作在A类、B类、 AB类状态，个别的工作在C类，工作在AB类状态的
居多。 2．射频放大器按照线性改善方法（或按线路组成的方式），可分为功率倒退功放、前馈功放、预失真功放。 3．按放大载波的数量又分为单载波功放与多载波功放。 三．单级功放的线路组成 1．直流馈电线路：包括集电极（或漏极）馈电及基极（或栅极）的偏压馈电，馈电线路的原则：对直流是短路的， 对射频是接近于开路的。直流馈电线路处理的好坏是射 频放大器稳定工作的重要条件之一。 2．输入输出阻抗匹配电路：由于功率管的输入输出阻抗一般都很低，我们要通过匹配网络将其匹配到较 佳状态。正确设计与调整匹配网络，对于放大器的 增益和效率具有重要意义。 3．印制线拐弯：在射频电路中，如果需要线路拐弯，要考虑高频效应，必须用45°拐弯，大信号的印制 线要做如下图所示的处理。
第 6 卷 第 3 期 2009 年 9 月苏 州 工 职 院 Journal of SIIT Vol. 6 No.3 Sep.2009 一、引言 放大器是射频接收机中的主要部件，它处于接收系统的前段，对射频信号进行放大，由于放大器在接收系统中的特殊地位和作用，因此该部件的设计对接收系统的性能有极其重要的影响。 在对低噪声放大器的设计中，要考虑放大能力、噪声性能，稳定性等许多特殊因素，给设计工作带来较大的困难。本文使用Agilent公司的ADS软件对放大器进行了设计，获得了较好的仿真效果。 二、放大器设计理论 在射频放大器设计中，最重要的设计观念是电路的输入输出阻抗的匹配性、电路的稳定性、功率增益、工作带宽、噪声和直流偏置。一个射频放大器的设计常常开始于最初的要求和适当的有源射频器件的选择,然后通过系统数值解和辅助作图法来决定晶体管在特定稳定度和功率增益要求下的工作条件（即信号源和负载的反射系数）。一个绝对稳定的晶体管在任何无源置端条件下，不会产生振荡。换句话说，用一个潜在不稳的晶体管进行设计时，必须经过仔细的分析和考虑，才能用无源置端获 射频放大器的设计与实现 王 栋 （苏州工业职业技术学院 电子工程系，江苏 苏州 215104） 【摘要】本文首先介绍了低噪声放大器的设计理论、方法和过程，然后介绍使用射频微波仿真设计软件Agilent公司的ADS进行分析和设计一个放大器的过程和方法。仿真得到了比较理想的效果。 【关键词】放大器;ADS Design and Realization of RF Ampli ? er WANG Dong Abstract: First,the designing theory 、method and process of Amplifer are introduced. Then an ampli ? er is designed by the microwave software ADS designed by the company Agilent. the simulation result is perfect.Key words: Ampli ? er ;ADS 得稳定的放大器。各种电路的分析选择正确的直流工作点以及适当的直流偏置电路，对于获得设计要求的交流特性也是十分重要的。 对射频放大器的设计电路的输入输出阻抗的匹配性是及其重要的，在微波频段，传输线问题和匹配电路问题的分析都很麻烦。Smith圆图为这些问题的分析提供了一个非常有用的图解法。通过归一化阻抗和导纳Smith圆图,可以很容易并且快速设计出实现微波放大器最佳性能的匹配电路。微带传输线作为无源电路分析和全部微波放大器工艺的载体被广泛的应用。微波传输线相互连接的方式是跨越式的。芯片中或者封装式的晶体管可以很容易地贴到微带线的导体上。很多电路设计中采用了微带线方式。 三、放大器的仿真设计1、放大器设计目标 ●输入输出阻抗为50欧姆，工作在0.75～1.25GHZ。 ●放大器增益大于20dB。 ●放大器噪声低于10dB。 ●放大器处于绝对稳定状态(稳定因子k>1)。2、放大器设计步骤 ●选取符合要求的射频放大管。 收稿日期：2009 - 02 - 14 作者简介：王栋(1981 - ),浙江湖州人,助教,研究方向:应用电子。
射频功放设计规范和指南
目录 前言............................................................................................................ 错误！未定义书签。第一章射频功放设计步骤 (4) 1.1定设计方案 (4) 1.1.1 GSM及PHS基站系统 (4) 1.1.2 CDMA及WCDMA基站系统 (6) 1.2选择确定具体线路形式及关键器件 (8) 1.2.1射频放大链路形式与关键器件选择及确定 (8) 1.2.2控制电路的确定 (11) 1.3进行专题实验或一板实验 (12) 1.4结构设计及PCB详细设计 (12) 1.5进行可生产性、可测试性的设计与分析 (12) 第二章功放设计中的检测及保护电路 (14) 2.1引起功放失效的原因 (14) 2.2功放保护电路设计类型 (15) 2.3功率放大器的保护模型 (16) 2.4功放的状态监测 (17) 2.5状态的比较判断 (18) 2.6保护执行装置 (19) 2.7保护电路举例分析 (19) 第三章功放中增益补偿电路的实现 (21) -1-
3.1模拟环路增益控制 (21) 3.2数字环路增益控制 (21) 3.3温度系数衰减器 (22) 第四章功放供电电路设计 (23) 4.1功放电路的供电形式 (23) 4.1.1 LDMOS器件供电电路 (23) 4.1.2 GaAs器件供电路。 (25) 4.2电源偏置 (26) 4.3布局 (26) 4.4电容的选用 (26) 第五章输入输出匹配及功率合成技术 (28) 5.1用集总参数元件进行阻抗匹配电路的原理及设计实例......................... 错误！未定义书签。 5.1.1输入阻抗中含感性特性的匹配设计............................................ 错误！未定义书签。 5.1.2输出阻抗中含容性特性的匹配设计............................................ 错误！未定义书签。 5.2用分布参数来进行阻抗匹配 ............................................................... 错误！未定义书签。 5.3功率合成技术 .................................................................................... 错误！未定义书签。 5.3.1功率分配和合成单元。 ............................................................. 错误！未定义书签。第六章功放设计中的前馈技术 (40) 6.1前馈技术 (40) 6.2实现方案 (43) 6.2.1方案介绍 (43) 6.2.2主功放模块（MAM） (45) 6.2.3误差放大器模块 (46) 6.2.4延时滤波器模块 (46) -2-
基于ADS的射频功率放大器仿真设计 1.引言 各种无线通信系统的发展，如GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX和Wi-Fi，大大加速了半导体器件和射频功放的研究过程。射频功放在无线通信系统中起着至关重要的作用，它的设计好坏影响着整个系统的性能。因此，无线通信系统需要设计性能优良的放大器。而且，为了适应无线系统的快速发展，产品开发的周期也是一个重要因素。另外，在各种无线系统中由于采用了不同调制类型和多载波信号，射频工程师为减小功放的非线性失真，尤其是设计无线基站应用的高功率放大器时面临着巨大的挑战。采用Agilent ADS 软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能，进一步优化设计参数，同时达到加速产品开发进程的目的。功放（PA）在整个无线通信系统中是非常重要的一环，因为它的输出功率决定了通信距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。 2.功率放大器基础 2.1功率放大器的种类 根据输入与输出信号间的大小比例关系，功放可以分为线性放大器与非线性放大器两种。输入线性放大器的有A、B、AB类；属于非线性放大器的则有C、E 等类型的放大器。 （1）A类：其功率器件再输入信号的全部周期类均导通，但效率非常低，理想状态下效率仅为50%。 （2）B类：导通角仅为180°，效率在理想状态下可达到78%。 （3）AB类：导通角大于180°但远小于360°。效率介于30%~60%之间。 （4）C类：导通角小于180°，其输出波形为周期性脉冲。理论上，效率可达100%。 （5）D、E类：其原理是将功率器件当作开关使用。 设计功放电路前必须先考虑系统规格要求的重点，再来选择电路构架。对于射频功放，有的系统需要高效率的功放，有些需要高功率且线性度佳的功放，有些需要较宽的操作频带等，然而这些系统需求往往是相互抵触的。例如，B、C、E类构架的功率放大器皆可达到比较高的效率，但信号的失真却较为严重；而A
射频功率放大器实时检测的实现 广播电视发射机是一个综合的电子系统，它不仅包括无线发射视音频通道，而且还包括通道的检测和自动控制电路，因此在设计时，它除了必须保证无线通道的技术指标处于正常范围外，还必须设计先进的取样检测和保护报警等电路，以确保发射机工作正常，从而实现发射机在线自动监测和控制。近年来，随着大功率全固态电视发射机多路功率合成技术的发展，越来越多的厂家采用模块化结构设计，因此单个功率放大器模块是整个发射机的基本测单元，本文就着重讨论单个模块的检测和控制电路，从而实现发射机在线状态自动监测。 一、工作原理 在功放模块中，主要检测和控制参数为电源电压，各放大管的工作电流，输出功率，反射功率，过温度和过激励保护等，图1为实现上述检测控制功能的方框图，它由取样放大电路，V/F变换，隔离电路，F/V变换，A/D转换，AT89C51，显示电路和输出保护电路等组成。 1、隔离电路 在功放模块中，由于大功率器件的应用，往往单个模块的输出功率都比较大，因而对小信号存在较大的高频干扰，如处理不好，就会影响后级模数转换电路工作，从而导致检测数据不准确，显示数据跳动的现象，甚至出现误动作。这里采用光电耦合器进行隔离，由于光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强、无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点，从而将模拟电路和数字电路完全隔离，保障系统在高电压、大功率辐射环境下安全可靠地工作。 2、LM331频率电压转换器
V/F变换和F/V变换采用集成块LM331，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。同时它动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。 图2是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。 当输入端Vi＋输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压－频率变换。其输入电压和输出频率的关系为：fo=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2) 由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。 同样，由LM331也可构成频率－电压转换电路。
射频功率放大器是各种无线发射机的主要组成部分。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。 射频功率放大器电路设计需要对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题进行综合考虑。 射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，是研究射频功率放大器的关键。而对功率晶体管的要求，主要是考虑击穿电压、最大集电极电流和最大管耗等参数。 为了实现有效的能量传输，天线和放大器之间需要采用阻抗匹配网络。 3.1.1输出功率 在发射系统中，射频末级功率放大器输出功率的范围可小到毫瓦级（便携式移动通信设备）、大至数千瓦级（发射广播电台）。 为了要实现大功率输出，末级功率放大器的前级放大器单路必须要有足够高的激励功率电平。显然大功率发射系统中，往往由二到三级甚至由四级以上功率放大器组成射频功率放大器，而各级的工作状态也往往不同。 根据对工作频率、输出功率、用途等的不同要求，可以用晶体管、FET 、射频功率集成电路或电子管作为射频功率放大器。 在射频功率方面，目前无论是在输出功率或在最高工作频率方面，电子管仍然占优势。现在已有单管输出功率达2000kW 的巨型电子管，千瓦级以上的发射机大多数还是采用电子管。 当然，晶体管、FET 也在射频大功率方面不断取得新的突破。例如，目前单管的功率输出已超过100W ，若采用功率合成技术，输出功率可以达到3000W 。 3.1.2效率 效率是射频功率放大器极为重要的指标，特别是对于移动通信设备。定义功率放大器的效率，通常采用集电极效率?c 和功率增加效率PAE 两种方法。 1. 集电极效率?c 集电极效率?c 定义为输出功率P out 与电源供给功率P dc 之比，即 dc out p P =c η （3.1.1） 2.功率增加效率（PAE ，power added efficiency ） 功率增加效率定义为输出功率P out 与输入功率P in 的差于电源供给功率P dc 之比，即 c p dc in out PAE A P P P PAE ηη)11(-=-== （3.1.2） 功率增加效率PAE 的定义中包含了功率增益的因素，当有比较大的功率增益。 如何提高输出功率和保证高的效率，是射频功率放大器设计目标的核心。 3.1.3线性 ? 衡量射频功率放大器线性度的指标有三阶互调截点（IP3）、1dB 压缩点、谐波、邻道功率比等。邻道功率比衡量由放大器的非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度。 ? 由于非线性放大器的效率高于现行放大器的效率，射频功率放大器通常采用非线性放大器。但是分线性放大器在放大输入信号的放大的同时会产生一系列的有害影响。 ? 从频谱的角度看，由于非线性的作用，输出信号中会产生新的频率分量，如三阶互调分 量、五阶互调分量等，它干扰了有用信号并使被放大的信号频谱发生变化，即频带展宽了。
1.1 研究背景 随着人类社会进入信息化时代，无线通信技术有了飞速的发展，从手机，无线局域网，蓝牙等，到航空航天宇宙探测，已经深入到当今社会生活的各个方面，成为社会生活和发展不可或缺的一部分。无线通信设备由最初体积庞大且功能单一的时代，发展到如今的口袋尺寸，方寸之间集成了各类功能强大的电路。这些翻天覆地的变化，都离不开射频与微波技术的支持。而急速增长的应用需求又促使着射频微波领域不断的研究，更新换代。快速的发展使得射频微波领域的研究进入了白热化阶段，而在几乎所有的射频与微波系统中，都离不开信号的放大，射频与微波功率放大器作为系统中功耗最大，产生非线性最强的模块，它的性能将直接影响系统性能的优劣，由于其在射频微波系统中的突出位置，功率放大器的研究也成为射频微波领域研究的一个十分重要的方向[1]。 功率放大器作为射频微波系统中最重要的有源模块，其理论方面已经十分成熟。 A 类、 B 类、 C 类、 D 类、AB 类、E/I E 类、F/I F 类、Doherty等各类功率放大器也已经成功应用到各个领域。 1.2射频功率放大器的发展现状 射频功率放大器的核心器件为其功率元器件——晶体管，它是一种非线性三端口有源半导体器件，它的放大作用，并不是晶体管能凭空产生能量，使能量放大，而是完全由集电极(BJT)或漏极(FET)电源的直流功率转换而来的。晶体管只是起到了一种控制作用，即用比较小的信号去控制直流电源产生随小信号变化的大信号，从而把电源的直流功率转换成为负载上的信号功率。功率放大器的理论知识发展已经十分完善，其面临的更多是一些工程的问题。所以，射频功率放大器性能的提升主要来自于晶体管性能的提升，即半导体技术的发展，和放大器本身电路形式的改进。根据晶体管所用的半导体材料的不同，可以大体将其分为三个不同的发展阶段。第一代半导体材料以硅(Si)和锗( Ge)等元素半导体为主。第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、磷化铟( InP)、锗硅(SiGe)等化合物半导体为代表，相比于第一代半导体材料，其禁带更宽、 1
基本概念 射频功率放大器(RF PA)是发射系统中的主要部分，其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大（缓冲级、中间放大级、末级功率放大级）获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后，射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。 放大器的功能，即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容，我们称之为“信号”，往往表示为电压或功率。对于放大器这样一个“系统”来说，它的“贡献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平，并向外界“输出”。如果放大器能够有好的性能，那么它就可以贡献更多，这才体现出它自身的“价值”。如果放大器存在着一定的问题，那么在开始工作或者工作了一段时间之后，不但不能再提供任何“贡献”，反而有可能出现一些不期然的“震荡”，这种“震荡”对于外界还是放大器自身，都是灾难性的。 射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，如何提高输出功率和效率,是射频功率放大器设计目标的核心。通常在射频功率放大器中，可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波，实现不失真放大。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。 分类 根据工作状态的不同，功率放大器分类如下： 传统线性功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。 开关型功率放大器（Switching Mode PA,SMPA)，使电子器件工作于开关状态，常见的有丁（D）类放大器和戊（E）类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。SMPA将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流功耗为零，理想的效率能达到100%。 传统线性功率放大器具有较高的增益和线性度但效率低，而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率，但线性度差。具体见下表： 电路组成 放大器有不同类型，简化之，放大器的电路可以由以下几个部分组成：晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。
第1章概述 本章介绍了射频功率放大器的研究目的和意义，讨论现阶段的研究现状以及发展趋势，最后阐述了在论文期间所做的主要工作和前期计划结构。 1.1课题研究的目的和意义 随着21世纪的到来，人类社会已步入信息时代社会信息极大的改变了人类社会的生产、工作、学习和生活方式，人们对信息的依赖与需求越来越大，随时随地、迅速可靠的与通信的另一方进行任何方式的信息交流成为人们不断追求的目标。从全球范围来看，无线通信用户的年增量都在大幅度的增长，无线通信已经进入规模化发展的阶段。如今快速的发展无线通信已成为信息产业中最耀眼的亮点，并成为社会经济发展的动力。现代通信迅速发展，对射频功率放大器的要求也越来越高，其在整个无线电通讯系统中非常重要，输出功率决定了通讯距离的长短，其他方面也对通讯的效率性能指标起决定性作用。 射频功率放大器由于尺寸、线性度高、噪声低等优点，广泛运用与在卫星通信、雷达和电子战以及各种工业装备，伴随着无线通讯和军事领域新标准新技术的发展，对射频功率放大器的性能要求也高，使之在更宽频带内，具有更高的输出功率、效率和可靠性，例如为在有限的频谱范围内容纳入更多的内容就要求更多的通讯通道，获得较高的输出功率，现在通讯系统均采用了QPSK、64QSN等线性调制技术，这些调制技术对功放的非线性非常敏感，因而对放大器有更高的线性要求，提高功率放大器的可靠传输，以避免对其他信道的干扰，保证通讯的正常可靠。 为了满足各种应用需求，近十几年来人们不断推动射频功率放大器的发展和进步，在这十几年发展过程中，射频器件及射频技术的发展是推动射频功率放大器发展的俩大因素射频器件的发展是射频功率放大器的发展成为可能，射频技术的发展使射频功率放大器的性能得到提高。目前，由于无线领域局域网的市场潜力，世界各国的工业界和科技界都投入巨大的力量，加强这方面的研究与开发工
射频功放设计步骤（思路） 本文将对射频功放电路的设计过程进行简要地介绍，以便初涉射频功放开发的同仁参考。 第一步，制定设计方案 在进行射频功放设计时，我们首先要根据给定（或需要）的技术指标和功能指标制定设计方案。制定设计方案的主要依据是指标要求中的增益、额定输出功率、线性度（ACPR/IMD）、载波数、功耗/效率等指标。 1.在GSM及LTE基站系统中，由于对线性度要求不是 很高或者额定输出功率不是很大，且在单载波情况下工 作，所以我们选择传统的射频功放设计方案——功率回 退法（高功放HPA）。 构成HPA放大器一般有两种工作状态：A类及AB类工作状态。A类放大器具有良好的线性放大性能，其三阶交调产物与输出功率的变化关系是：输出信号功率减小3dB（即减小一半功率），则三阶交调产物改善6dB。一般来讲，A类放大器在1dB压缩点输出时，三阶交调系数约为－23.7dB (通常取－20dB)。为了达到一定的线性，并考虑到工程问题，A类放大器需回退15dB，此时放大器的三阶交调抑制可以达到－45～－50dBc。然而使用A类放大器的最大缺点是效率低及成本较高。这是因为A类放大器在它的1dB压缩点输出功率时，其效率只有10％。比如，完成一个30W平均输出功率的HPA，就需要至少有300W的耗电，并且工作电流随输出功率变化的值不大。若
考虑回退12dB，则需要有480W平均功率输出，需耗电4.8kW。为了达到30W的输出功率需要用较多的功率管。这样就加大了HPA的成本和体积，增大了研制成本和难度。为了避免这个问题，建议在小功率放大器(平均功率输出≤5W)设计中使用A类放大器；在中大功率放大器(平均功率输出>5W)设计中使用AB类放大器。 AB类放大器的特点是效率高、成本低。由于单管的输出功率高，仅需少量的功率管即可做到较高的输出功率，所以成本较低，且散热和结构设计可以简单化。目前用在AB类的管子主要选LDMOS管，AB类放大器用最大包络功率PEP来描述其功率容量，类似A类的1dB压缩点。偏置在AB类的LDMOS放大器，在PEP处的互调抑制为28dBc，回退3dB时互调抑制接近40dBc，继续回退，改善不大。回退10dB时效率约为15%。 总之功率回退法的优点是简单、易实现，缺点是受功率管P1dB 限制。 A类放大器的三阶交调系数IMD3、三阶交截点IP3及输出功率Pout的关系见公式1 IMD3(dBc)=2[ IP3 (dBm)-Pout(dBm)]公式1 A类放大器的1dB压缩点P1dB与其三阶交截点IP3的关系曲线图见图1、图3。 1dB压缩点P1dB定义：当输入功率较低时，输出功率与输入功率成比例关系。当输入功率超过一定的量值之后，晶体管的增益开始下降，最终结果是输出功率达到饱和。当放大器的增益偏离常数或比其
第四章射频功率放大器 本章介绍射频功率放大器RFPA 与射频匹配网络、射频功率合成技术4.1 引言 4.2 A类射频功率放大器 4.3 B类和C类射频功率放大器4.4 高效射频功率放大器 4.5 阻抗匹配网络与网络设计4.6 射频宽带功率合成 返回
4.1 引言 RFPA应用于发射机末级，将已调信号放大到所需功率值，送天线发射。 RFPA所带来的问题： ◆为输出大电流，输出级晶体管芯片面积增大，导致极间电容增加； ◆电路寄生参数影响较大； ◆晶体管等效输入输出阻抗小，且为复数；
◆指标与以前的 放大器不同： 输出功率P 0, 电源供给功率P D,管耗P T, 效率η 等。 ◆对功率管的要求: 最大击穿电压V (BR)CEO 、最大集电极电流I CM、最大管耗P CM及最高工作频率f max等 ◆多级功放的级间匹配网络设计计算； 一、RFPA的特点
二、RFPA的工作状态 为提高效率而设计成各种工作状态： 1.A类(甲类）工作状态： ◆输入正弦波的一周期内，功率管全导通。 ◆输入是正弦波，输出也是正弦波，且频率相同，因此是同频线性放大器。 2.B类（乙类）工作状态： ◆输入正弦波的一个周期内，功率管半个周期导通，半周期截止。 ◆形成半波失真输出，产生多次谐波。 ◆常用LC并联谐振回路选频：同频放大和倍频放大
3. C类（丙类）工作状态 ◆在输入正弦波的一周期内，功率管导通时间小于半个周 期。 ◆输出为小于半个周期的余弦脉冲，从而形成丰富的谐波输 出。 ◆同频放大和倍频放大 4. 高效功率放大 ◆为进一步提高效率，要求功率管处于开关状态。 ◆双管D类功放。 ◆单管E类功放。 ◆单管F类功放。
射频功率放大器模块的设计与实现 摘要：提出了功率放大器设计中的两个关键问题，结合GSM直放站功率放大器模块的工程实例，详细分析了该功率放大器模块的设计过程。最后给出该模块样机的实测结果，进一步验证了设计方法的有效性。 关键词：功率放大器;射频电路;线性化 引言 随着现代数字移动通信技术的蓬勃发展，用户对无线通信设备的性能要求越来越高，实现在各种环境中的稳定、高速的数据传输是未来移动通信系统研究者的主要目标之一。射频功率放大器是发射机的末级，它将已调制的频带信号放大到所需要的功率，保证在覆盖区域内的接收机可以收到满意的信号电平，但不能过于干扰相邻信道的通信，同时又要尽量地保持放大后的大功率信号不失真畸变。这些不同方面的要求使得功率放大器的设计者要面面俱到地考虑到很多指标的平衡，功率放大器的设计也成为无线通信系统设计过程中的关键步骤之一。 功率放大器设计中的两个重要问题 电路设计中的电磁兼容(EMC)措施 射频电路工作在很高的频率上，在元件引脚或者电路引线上会产生一定的寄生参量。而射频功率放大器中，在高功率、大电流的环境下，寄生参量对于系统的影响大大增加，另外，引线电感及走线电感等又是引起高频辐射干扰的重要因素，这些功率不小的电磁干扰(EMI)可能会使功率放大器本身、电源部分或者系统的其他部分的性能大幅下降，很多情况下会直接影响系统的多项主要指标。 为了尽可能减小电磁干扰的影响，需要在电路设计及PCB设计中采取电磁兼容(EMC)措施，这样做也能有效地减少后期调试工作量，增加产品的可靠性和一致性，提高产品性能。 我们在工程中采取的措施主要有：电源线应尽量粗，器件电源或偏置网络都应该多加去耦电容和扼流电感，并选用高频性能好的器件，从而增加电源的稳定性，减少电源波动对于器件的影响；PCB设计要合理布局，功率放大器部分应该与其他低功率或者数字部分尽量远离，并在中间加装金属隔条、屏蔽罩或微波吸附材料，避免功率放大器与其他部分的相互辐射干扰；PCB设计中，在无元件、线路经过的位置多加保护地，并多加金属化通孔造成多点接地；射频走线尽量短，严格控制线头、引脚长度，匹配网络应尽量靠近需要匹配的器件，等等。实践证明，这些措施都能够很好地减少电磁干扰，改善电路性能。 功率放大器的线性化
September 2013 1 ? 2013 Microsemi Corporation A 700W Broadband Amplifier Using VRF2944 Introduction This article describes a robust 700W 1.5-52 MHz broadband linear amplifier using the new Microsemi VRF2944 power MOSFETs. The VRF2944 represents the latest in high power VDMOSFET devices. With a minimum BVD SS of 170V, it will operate from a 65V supply allowing the devices’ optimum output power to be obtained with a simple 4:1 broadband transformer. In this circuit configuration, the VRF2944s are capable of providing 700W of continuous output power with enough design headroom to survive the momentary impedance transients that occur in typical operation. Features and requirements for all of the major components of the design are identified, with sourcing information. A printed circuit board layout is provided. Topology The basic broadband transformer-coupled push-pull circuit topology has remained unchanged for almost 70 years. The only changes over that time being the transformer construction, their ratios, and supply voltage, as determined by the ever-increasing capabilities of active devices. Push-pull operation offers several advantages over any single-ended design. First and foremost, it provides twice the output, without using a separate combiner. Its inherent circuit balance suppresses the even harmonics which then reduces the complexity of output lowpass filters needed for regulatory compliance. A single-ended broadband circuit requires a very strong supply bypass capacitor at the cold end of the output transformer, but in the push-pull circuit the supply voltage is applied at an RF-neutral point. This greatly simplifies the design and lowers the stress on the bypass capacitors. Figure 1 · Amplifier Top View Application Note 1819
ADS射频功放设计简单流程 (2013-03-01 09:30:41) 转载▼ 分类：学习收集 功放设计仿真的一般步骤 1、首先需要确定放大器的特性指标，并根据指标选定合适的功放管。 2、将厂家提供的晶体管模型库导入到ADS模型库中。 3、根据放大器的要求和晶体管特性确定静态工作点。 4、进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、偏置电路等。 5、对所设计电路进行仿真，分析仿真曲线并得出结论。 6、优化功放电路结构和电路参数。 本次PA设计参数如下： 1 频率：960MHz 2 输出功率：10W 3 增益：18dB 4 效率：>30% 5 电源电压：28V 选择了飞思卡尔的功率管MW6S010N。 设计环境：使用软件ADS2009，安装了RF_POWER_ADS2009U1_DK（Designkit）安装飞思卡尔管子的Designkit。 1、直流扫描 首先对LDMOS管进行直流工作点扫描。根据Datasheet上的指标，得到当偏置为V DD=28V，V GS=2.7V时，I DQ=125mA。仿真结果如图1所示。
图1 功放直流扫描 2、偏置和稳定性分析 按照Datasheet设计功放的偏置电路[由于频率比较低，采用集总电感起到射频扼流的作用，用电容实现电源滤波] ，然后，进行稳定性分析，从仿真结果图2，可见该器件在工作频段上绝对稳定，可以进行下一步的设计。 图2 稳定性分析 3、负载牵引[PA的最近负载阻抗会随着输入信号功率的增加而改变，在Smith圆图上针对给定的一个输入功率值绘制出在不同负载阻抗时的等输出功率曲线，找出最大输出功率时的最佳负载阻抗。]和源牵引 我们对功放进行负载牵引和源牵引，设定匹配点阻抗960MHz，通过反复修改源和负载阻抗值[利用负载牵引的找到最佳负载阻抗，并将负载阻抗的匹配网络代入源牵引中，找到最佳源阻抗，并作源匹配网络，并将找到的最佳源阻抗的匹配网络再代入负载牵引中，如是反复调整，来找到最终的最佳源阻抗和负载阻抗]，最终得到收敛，输入功率为23dBm，输出的最大功率值为42.31dBm。负载阻抗为5.471+j*5.591, 源阻抗为1.737+j*3.593，仿真结果如图3和图4所。
出处：何庆华
去取得胆机那中清晰温暖的声音,在这里，使用共射共 基电路是必然的，共射共基电路又叫渥尔曼电路，前管 共射配合后管的共基放大，让两管中间严重失配，却大 降低了前管的密勒电容效应，使前管的频响大改善，而 后管是共基电路，天生是频响的高手。在放大能力上， 基射共基电路与一般的单管共射电路是没有分别的，但 频响却在高频上独领风骚，故而在许多的进口名器上不 乏其影，用于本机却可大大改善了开环响应与高频线 性。 电路的参数计算在上篇已介绍过，这里就不再罗索 了，第一级的工作电流是5mA，增益是2K2与470欧的比值，增益约为15dB，注意的是两个33欧的电阻是配合了K170/J74的参数，如要换用其他的管子可能需要更改 这两个电阻的数值。第二级的工作电流约为13mA，增益约为18dB，忽略了输出级的轻微损耗，整机增益在33dB左右，可以直驳CD机了。 第一级电路与第二级电路在匹配上是没有问题的，但第二级与输出级却由于无反馈而有一定的要求了。若在此输出级使用一般常见的两级射极跟随器，输入阻抗一般 只能达到15K欧，由于音箱的阻抗在全频段的不平均，将令第二级电压放大电路的负载（为输出级的输入阻抗）变得不平均稳定。这将导致此级在全频带的放大量不一 致，而本机又没有使用环路负反馈来纠正增益。 要解决这一问题有两种方法，一个是输出级用场效应管作推动，使输入阻抗阻抗在理论上达百万M欧，，在实际的应用中可在50K欧，但使用场效应管往往需要有120mA 如此大的静态电流，否则音色显得干硬，而如此大的功耗而使功放级的偏置难于补偿。另一种方法是使用近年来许多进口高档机采用的三级双极型三极管组成的输出级电
射频功率放大器的线性化技术 射频功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量，如对于二阶失真会产生二次谐波和双音拍频，对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。这些新的频率分量如落在通带内，将会对发射的信号造成直接干扰，如果落在通带外将会干扰其他频道的信号。为此要对射频功率放大器的进行线性化处理，这样可以较好地解决信号的频谱再生问题。射频功放基本线性化技术的原理与方法不外乎是以输入RF信号包络的振幅和相位作为参考，与输出信号比较，进而产生适当的校正。实现射频功放线性化的常用技术有三种：功率回退、预失真、前馈。1、功率回退 这是最常用的方法，即选用功率较大的管子作小功率管使用，实际上是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度。 功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点(放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增大，放大器渐渐进入饱和区，功率增益开始下降，通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。)向后回退6-10个分贝，工作在远小于1dB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调系数。一般情况，当基波功率降低1dB时，三阶交调失真改善2dB。 功率回退法简单且易实现，不需要增加任何附加设备，是改善放大器线性度行之有效的方法，缺点是效率大为降低。另外，当功率回退到一定程度，当三阶交调制达到-50dBc以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求很高的场合，完全靠功率回退是不够的。 2、预失真 预失真就是在功率放大器前增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性失真。 预失真线性化技术，它的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号。预失真技术成本较低，由几个仔细选取的元件封装成单一模块，连在信号源与功放之间，就构成预失真线性功放。手持移动台中的功放已采用了预失真技术，它仅用少量的元件就降低了互调产物几dB，但却是很关键的几dB。 预失真技术分为RF预失真和数字基带预失真两种基本类型。RF预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频、宽带应用等优点，缺点是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。 数字基带预失真由于工作频率低，可以用数字电路实现，适应性强，而且可以通过增加采样频率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真，是一种很有发展前途的方法。这种预失真器由一个矢量增益调节器组成，根据查找表(LUT)的内容来控制输入信号的幅度和相位，预失真的大小由查找表的输入来控制。矢量增益调节器一旦被优化，将提供一个与功放相反的非线性特性。理想情况下，这时输出的互调产物应该与双音信号通过功放的输出幅度相等而相位相反，即自适应调节模块就是要调节查找表的输入，从而使输入信号与功放输出信号的差别最小。注意到输入信号的包络也是查找表的一个输入，反馈路径来取样功放的失真输出，然后经过A/D变换送入自适应调节DSP中，进而来更新查找表。 3、前馈 前馈技术起源于"反馈"，应该说它并不是什么新技术，早在二三十年代就由美国贝尔实验室提出来的。除了校准(反馈)是加于输出之外，概念上完全是"反馈"。 前馈线性放大器通过耦合器、衰减器、合成器、延时线、功分器等组成两个环路。射频信号输入后，经功分器分成两路。一路进入主功率放大器，由于其非线性失真，输出端除了有需要放大的主频信号外，还有三阶交调干扰。从主功放的输出中耦合一部分信号，通过环路1抵消放大器的主载频信号，使其只剩下反相的三阶交调分量。三阶交调分量经辅助放大器放大后，通过环路2抵消主放大器非线性产生的交调分量，从而了改善功放的线性度。 前馈技术既提供了较高校准精度的优点，又没有不稳定和带宽受限的缺点。当然，这些优点是用高成本换来的，由于在输出校准，功率电平较大，校准信号需放大到较高的功率电平，这就需要额外的辅助放大器，而且要求这个辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。 前馈功放的抵消要求是很高的，需获得幅度、相位和时延的匹配，如果出现功率变化、温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵。为此，在系统中考虑自适应抵消技术，使抵消能够跟得上内外环境的变化。