射頻功率放大器的研究現(xiàn)狀與應用和分類

1、射頻功率放大器的研究現(xiàn)狀與應用和分類1射頻功率放大器的研究現(xiàn)狀隨著人類社會進入信息時代，無線通信技術有了飛速的發(fā)展，尤其是射頻微波通信技術的產生和發(fā)展無疑對無線通信技術的發(fā)展起到了決定的作用。高頻電磁波具有一些頻率低端無法比擬或無法實現(xiàn)的特點和優(yōu)點，如微波、毫米波能夠穿透地球大氣電離層，實現(xiàn)航天通信，所以開發(fā)射頻微波通信具有現(xiàn)實意義。頻率高端中的微波頻段是目前研究與應用的熱點，這導致了射頻有源電路研制的繁榮。在幾乎所有的射頻微波系統(tǒng)中，都離不開對信號的放大，射頻放大器在有源電路中占據(jù)了突出的位置。射頻固態(tài)功率放大器(rf pa)由于具有工作電壓低、尺寸小等優(yōu)點，廣泛應用在衛(wèi)星通信、移動通信、雷

2、達和電子戰(zhàn)以及各種工業(yè)裝備中。隨著無線通信和軍事領域新標準新技術的不斷發(fā)展，日益要求提高射頻功率放大器的性能，使之在更寬頻帶內，具有更高的輸出功率、效率和可靠性。例如在通信基站中，因為cdma基站采用四相相移鍵控(qpsk)技術，需要對多路載波同時放大，此時信號幅度將隨時間劇烈變化，要求峰-均比達1013 db，所以要求pa具有較高的線性度；在第三代移動通信系統(tǒng)(3g)中，要求數(shù)據(jù)傳輸速率達到2m bit/s，單個信號的帶寬達5mhz，這就需要pa具有寬帶特性；為了降低通信運營商的運營成本，減小冷卻成本，易于熱控制，就要求提高pa的效率；為了減小功率放大的級數(shù)和功率管的使用數(shù)量，以更低的功率進

3、行驅動，降低成本，就要求提高放大器的增益；為了增加通信基站的覆蓋范圍，減小固定區(qū)域內所需要設置的基站以節(jié)約成本，同時減小電路的尺寸和重量，就要求提高pa的輸出功率。所有的這些問題，對射頻功率放大器的設計提出了新的要求1。近五十年來射頻器件和射頻技術的不斷發(fā)展是推動射頻功率大器發(fā)展的兩大因素。射頻器件的發(fā)展使射頻功率放大器的發(fā)展成為可能，射技術的發(fā)展使射頻功率放大器的性能不斷得到提高。(1)在射頻器件方面：1948年shockley.bardeen等人發(fā)明雙極晶體管(bjt)及1952提出結型場效應管(jfet)以后，硅雙極晶體管開始應用于射頻微波領域，從而可以對從幾百兆赫(uhf)到ka波段的

4、信號進行放大；70年代以后，gaas單晶及其外延技術獲得突破，gaas肖特基勢壘柵場效應晶體管(gaas mesfet)研制成功，由于gaas材料載流子遷移率高、禁帶寬度大，從而使射頻微波功率放大器具有高頻率、低噪聲、大功率等一系列優(yōu)點。進入80年代，由于分子速外延技術和有機金屬化學沉技術的進展，超薄外延層的厚度及雜質濃度得以精確控制，使異質結器件迅速發(fā)展，由algaas/gaas或inp/ingaas組成的異質結雙極晶體管(hbt)相續(xù)研制成功，采用這些器件設計射頻功率放大晶體管，使射頻固態(tài)功率放大器的工作頻率達到毫米波頻段；到90年代，激增了多種新型固態(tài)器件，如高電子遷移管(hemt)，假

5、同晶高電子遷移管(phemt)，異質結場效應管(hfet)和異質結雙極管(hbt)，同時使用了多種新材料如inp,sic及can等。這些器件能夠對100ghz乃至更高頻率的信號進行放大，而且在多數(shù)情況下可以運用mmic技術。其中高電子遷移率晶體管(hemt)的低噪聲性能比場效應管更優(yōu)越，運用這種器件設計成低噪聲放大器，在c波段噪聲溫度可達250k左右，廣泛用于衛(wèi)星接收；而phemt則用一個ingaas薄層來作為溝道的材料，同時在a1caas/ingaas異質交界面上具有一個更大的不均勻導帶，使其比hemt能容納更高的電流密度和跨導，從而可以在較寬的工作電流范圍內保持更低噪聲系數(shù)和更高增益，這激

6、起了人們對設計高速、高頻、低噪聲、高增益的射頻固態(tài)功率放大器的極大興趣。以此同時，單片集成(mmic)射頻器件也在快速發(fā)展，這是一種可以在幾平方毫米砷化鎵(gaas)基片上集成微波放大器電路的技術，其體積小，增益高，己越來越受到用戶的青睞。另外隨著新型材料和工業(yè)技術水平的發(fā)展，無源器件的制造技術也得到不斷革新，無源器件的尺寸不斷減小，精度不斷提高，大大降低了無源器件寄生參數(shù)在高頻電路設計時所帶來的影響。(2)在射頻技術方面：非線性是高功率放大器設計中的難點，但是，隨著dsp技術和微處理控制技術的出現(xiàn)和發(fā)展，使得我們能夠廣泛地應用各種功率放大器線性化技術，如復雜的反饋技術和預失真技術來提高放大器

7、的效率及線性度；功率合成技術的發(fā)展，使我們可以采用多個放大管輸出高達幾千瓦的功率；寬帶技術使我們可以對帶寬達幾個ghz以上的信號進行放大；以此同時，各種效率增強技術為我們提高功率放大器的效率提供了方便。如今，通過采用新型的器件和新穎設計技術，人們己經開發(fā)出各種功率放大器來滿足通信及軍事上的需求。射頻微波功率放大器由于其所具有的優(yōu)點，在中小功率的應用領域已基本取代電真空器件，并在高功率應用領域逐漸成為電真空器件的有益補充，因而開展固態(tài)功率放大器具有十分重要的意義。(3)在電路設計方面3：在射頻晶體管設計思想發(fā)展的同時，射頻電路計算機輔助設計技術也得到了快速的發(fā)展。由于射頻電路較難進行微調，在技術

8、性能要求比較嚴格的放大器中，噪聲系數(shù)，工作頻帶，增益平坦度，輸入輸出駐波比等許多指標是相互聯(lián)系，需要綜合考慮，提高了設計難難度。借助計算機模擬仿真是最好的解決方法。隨著半導體技術的高速發(fā)展，計算機技術被應用到射頻電路的設計領域，很多軟件公司開發(fā)出了射頻微波電路仿真軟件。首先，這些軟件集成了大量的有源和無源器件的數(shù)學模型，甚至可以對電路的器件進行三維模型仿真，借助于器件模型精度的不斷提高和計算機運算能力的提高，設計者能在很短的時間內得到與實際非常接近的結果。第二，射頻微波電路一般都需要很大的運算量，借助現(xiàn)代的cad軟件，可以很容易的完成這些復雜的計算，極大提高設計人員的效率。最后，通過cad仿真

9、，設計者能在計算機上得到電路的仿真結果，并能對電路的各項參數(shù)進行修改和優(yōu)化，通過比較仿真結果就能選擇一個最佳的電路方案，從而減少電路的調試時間，縮短產品的設計時間，提高企業(yè)的競爭力。目前，國內外的很多公司已廣泛采用cad技術進行射頻電路的仿真與設計，在高功率放大器中的有源器件模型非常復雜，目前它的精度具有一定的范圍，設計時主要采用軟件仿真指導加調試的方法。2射頻功率放大器的應用與分類射頻功率放大器的應用領域比較廣泛，比如在雷達、通信、導航、衛(wèi)星地面站、電子對抗設備中都需要它。4如在有源相控陣雷達中，射頻功率放大器就扮演著重要的角色。射頻功率放大器作為側r組件的重要組成部分，直接決定著上述技術參

10、數(shù);射頻功率放大器還能制成固態(tài)發(fā)射機;在電子戰(zhàn)中，射頻功放可制成有源誘餌，避免飛機被導彈攻擊;在通信中，射頻功率放大器廣泛用于小功率或低數(shù)據(jù)率終端，如射頻功率放大器的效率就很大程度上決定著個人移動電話的通話和待機時間?？傊?，需要對射頻信號進行功率放大的設備中都離不開射頻功率放大器。射頻放大器與低噪聲放大器相比，它除了要滿足一定的增益、駐波比、頻帶外，突出的要求是高輸出功率和高轉換效率及減小非線性失真。按照晶體管的使用材料不同，射頻功率放大器可以分為硅雙極性晶體管功率放大器，砷化鎵場效應管功率放大器(mesfet)、邊緣擴散場效應晶體管放大器(ldmosfet)、砷化鎵異質結晶體管(hbt)和s

11、ic fet。硅雙極性晶體管廣泛用于3ghz以下的連續(xù)波和脈沖放大器中。硅雙極性晶體管的上限頻率主要受到硅半導體中載流子遷移率的限制，還受到晶體管各部分尺寸的限制，它的輸出功率是由擊穿電壓、散熱和放大器的工作類型所確定的。ldmos fet也主要用于3 ghz以下的頻率，它使用邊緣擴散的工藝，較好地解決了雙極性晶體管電流漂移和門限電壓偏移的問題，還具有大的輸出功率、較高的效率和良好的線性度。gaas mesfet以其優(yōu)良的高頻特性和高可靠性，已廣泛地應用于衛(wèi)星通訊、電子工程、微波數(shù)字通訊等多種領域。gaas異質結雙極晶體管在微波頻率有可能取代功率mesfet,其特點是在高增益和高功率效率下，可

12、工作在b類或c類。sic有可能制造出用于高溫大功率和高頻范圍的微波毫米波晶體管。從元件集成度看，射頻功率放大器可分為單片集成放大器和晶體管分離元件放大器。單片集成放大器是將輸入輸出匹配網絡、直流偏置電路以及放大管管芯等都集成在一塊很小的gaas為襯底的芯片上面，因此它具有體積小、重量輕、可靠性高、成木低等優(yōu)點，同時可以免去使用者再對輸入輸出匹配網絡和靜態(tài)工作點進行設計，從而節(jié)省了設計時間。一般設計好的單片集成功率放大器的輸入輸出阻抗是與50相互匹配。由于匹配網絡中l(wèi),c分別由金絲、金箔構成，其承受功率相對較小，而且由于體積小，直流消耗功率較大，管芯到元件表面的熱阻大，因此單片集成功率放大器不適合大功率輸出，它一般多用于大功率發(fā)射機的前級或驅動級。晶體管分離元件放大器是把匹配網絡、管芯、偏置電路分開，單獨的晶體管只是管芯加了一個封裝，不包含其他電路。它一個顯著優(yōu)點是可以輸出較大的功率，通常它的體積較大，使用者必須自行設計匹配網絡和設置靜態(tài)工作點。所以它一般多用于地面基站的大功率發(fā)射機的末級。晶體管分離元件放大器又分為單管功率放大器和平衡功率放大器，其中平衡功率放大器具有失配小、級間隔離度好、電路工作穩(wěn)定、偶次諧波