GSM直放站射頻功率放大器的設(shè)計(jì)

1、編號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)GSM直放站射頻功率放大器的設(shè)計(jì)The Research and Design of Radio frequency Power Amplifier for GSM Repeater 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)承諾書(shū)1本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）GSM直放站射頻功率放大器的設(shè)計(jì)，是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解學(xué)校的長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作條例后，在教師的指導(dǎo)下，保質(zhì)保量獨(dú)立地完成了任務(wù)書(shū)中規(guī)定的內(nèi)容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內(nèi)容。2本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中引用他人的觀點(diǎn)和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對(duì)本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中注明。

2、3在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中對(duì)侵犯任何方面知識(shí)產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。4本人完全了解學(xué)校關(guān)于保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交論文和相關(guān)材料的印刷本和電子版本；同意學(xué)校保留畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學(xué)校可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），可以公布其中的全部或部分內(nèi)容。以上承諾的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)！ 作 者 簽 名： 年 月日摘 要本文詳細(xì)論述了功率放大器的設(shè)計(jì)方法，對(duì)功率放大器的線性化問(wèn)題和電磁兼容問(wèn)題進(jìn)行了分析。針對(duì)直放站功率放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，確定了功率放大器的射頻鏈路設(shè)計(jì)方案和功率放大器的整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3、。以摩托羅拉公司的 MRF9060 功放管為基礎(chǔ)，采用單管放大結(jié)構(gòu)，整體設(shè)計(jì)方案采用了三級(jí)放大電路。首先計(jì)算了負(fù)載阻抗，設(shè)計(jì)了輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；在滿足輸出功率和集電極效率的要求下，設(shè)計(jì)了輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；最后成功設(shè)計(jì)了功率放大器。通過(guò)進(jìn)一步的調(diào)試提高了功率放大器的穩(wěn)定性，為大規(guī)模生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。同時(shí)對(duì)功率放大器制作設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：功率放大器 線性化 電磁兼容 直放站AbstractThis paper researches on the design procedure of power amplifier and introduces power amplifier li

4、nearization and electromagnetic compatibility. According to the specification of GSM repeater power amplifier, radio frequency link design and network topology map of power amplifier are confirmed. Based on the power amplifier - Motorola MRF9060, a design way is established to implement power amplif

5、ier with triple amplifier circuit, which adopts single-tube amplifier structure. At first, this paper designs the output matching network according to the computational load impedance, then designs the input matching network which meets at the request of output power and collector efficiency. At las

6、t a power amplifier is designed successfully. Through further debugging to enhance the stability of the power amplifier and provides the foundation for large-scale product .The paper also concludes the experience in power amplifier design.Key words: power amplifier; linearization; electromagnetic co

7、mpatibility; repeater 目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第 1章 緒論11.1研究背景11.2國(guó)內(nèi)外研究狀況11.2.1 功率放大器的概述11.2.2 國(guó)內(nèi)外的技術(shù)狀況2第2章 功率放大器射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論32.1 S參數(shù)理論32.1.1 射頻電路網(wǎng)絡(luò)參量32.1.2 S 參量的定義及其物理意義42.1.3 功率增益52.2 穩(wěn)定性分析82.3 噪聲分析9第3章 功率放大器的線性化分析和電磁兼容性113.1功率放大器的線性化分析113.1.1 幅度失真(AM-AM)和相位失真(AM-PM)113.1.2 交調(diào)失真(IMD)123.1.3 功率放大器的線性化技

8、術(shù)143.2 功率放大器的電磁兼容性15第4章 功率放大器設(shè)計(jì)174.1 功放設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求174.2 本方案采取的結(jié)構(gòu)184.3 功放管的選型194.3.1 末級(jí)功放管的選型194.3.2 第二級(jí)功放管的選型204.3.3 第一級(jí)功放管的選型204.4 功率檢測(cè)和 ALC 控制214.5功放的輸出級(jí)部分224.5.1 功放級(jí)224.5.2 饋電電路部分224.5.3 功放管的匹配問(wèn)題224.6 研制過(guò)程中解決的關(guān)鍵技術(shù)244.6.1 達(dá)到系統(tǒng)使用的射頻指標(biāo)、最小的功耗、成本之間的平衡244.6.2 功放的匹配和電源的自激振蕩244.6.3 腔體、接地和散熱254.6.4 溫度漂移穩(wěn)定的抑制2

9、54.7 功放的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖264.8 功率放大器仿真274.8.1 靜態(tài)工作點(diǎn)274.8.2 整體電路仿真284.8.3仿真結(jié)果294.9 本章小結(jié)29結(jié) 論31致 謝32參考文獻(xiàn)33第 1章 緒論1.1研究背景隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，移動(dòng)通信正逐步向?qū)拵Щ⒏咚倩较虬l(fā)展，以適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)和多媒體通信的要求。如何有效地利用頻率資源，滿足不斷增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)容量的需求；如何有效地實(shí)施網(wǎng)絡(luò)覆蓋，合理地解決網(wǎng)絡(luò)容量與網(wǎng)絡(luò)覆蓋之間的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)投資的最小化和效益的最大化，是每一個(gè)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商所必須面對(duì)的問(wèn)題?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)應(yīng)用調(diào)制信號(hào)導(dǎo)致在射頻信號(hào)端產(chǎn)生峰均比，在系統(tǒng)間以及同系統(tǒng)間相鄰信道間要

10、求有效低的再生頻率，基站發(fā)射系統(tǒng)得線性度通常很大部分由功率放大器的線性度決定的，為了保證良好的通信質(zhì)量，對(duì)功率放大器的噪聲也提出了嚴(yán)格的要求。因此需要有高穩(wěn)定性、低成本、線性度好的功率放大器?？偠灾β史糯笃鞯脑O(shè)計(jì)在有關(guān)移動(dòng)通信中起著至關(guān)重要的作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況1.2.1 功率放大器的概述功率放大器是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信寬帶化、高速化的關(guān)鍵技術(shù)。功率放大器的設(shè)計(jì)制作過(guò)程主要包括：選管子、設(shè)計(jì)、仿真、制作和調(diào)試。在選管子的過(guò)程當(dāng)中需要考慮管子的線性化，要選擇一個(gè)有足夠功率輸出余量和輸出增益余量的功放管，兼顧頻率、工作電壓、工作帶寬、放大器的應(yīng)用類(lèi)別，決定需要的輸入功率以及這個(gè)輸入功率要變成助

11、推級(jí)放大器的輸出功率。循環(huán)操作直到滿足設(shè)計(jì)的要求。用大信號(hào) S 參量來(lái)設(shè)計(jì)，通過(guò)微波網(wǎng)絡(luò)分析儀可以直接測(cè)量微波功率晶體管的大信號(hào) S 參數(shù)。大信號(hào) S 參數(shù)隨驅(qū)動(dòng)功率的變化而變化，但不很顯著，這是由于封裝管殼寄生參數(shù)形成的諧波濾波器作用的結(jié)果，使得高度失真的波形恢復(fù)接近于正弦波。由此可見(jiàn)，利用帶封裝的微波功率晶體管的這種特性，可將它在工作點(diǎn)附近視為線性器件，從而可以利用大信號(hào) S 參數(shù)來(lái)表示功率晶體管的特性，并可直接將前述小信號(hào)放大器的分析、設(shè)計(jì)方法，用于大信號(hào) S 參數(shù)下功率放大器的功率增益、穩(wěn)定性的分析和增益、平坦度的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，基于線性網(wǎng)絡(luò)的大信號(hào) S 參數(shù)不能精確地預(yù)示放大器的飽和輸出

12、功率和效率12。1.2.2 國(guó)內(nèi)外的技術(shù)狀況對(duì)于功率放大器，通常要求能得到最大的輸出功率和高的效率。目前功率放大器的設(shè)計(jì)主要存在以下一些問(wèn)題。首先是管子的偏置狀態(tài)的選擇，平常管子只在信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，放大器處于非線性工作狀態(tài)。其次是要選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ麟娏骱碗妷?，使其不超過(guò)管子的最大允許耗散功率，此外在匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還要注意濾波的要求，通常是以管子的等效電路參數(shù)或測(cè)出管子的大信號(hào)動(dòng)態(tài)阻抗為設(shè)計(jì)起始數(shù)據(jù)。最后還要注意電路的設(shè)計(jì)安裝和使用條件?？傊β史糯笃鞯男蕸Q定于多方面的因素。選擇合適的管子，選定管子的工作狀態(tài)，合理設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)以減小電路損耗等都可以得到較高的效率。目前設(shè)計(jì)和生產(chǎn)射頻功率放大器

13、的專(zhuān)業(yè)廠家對(duì)各種功放的線性化技術(shù)研究的側(cè)重點(diǎn)不盡相同。如美國(guó)的 Spectrian 公司的預(yù)失真和前饋功放、Power wave 公司的多載波功放都對(duì)功放的線性化技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和完善。一些公司通過(guò)加入導(dǎo)頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)一定程度的自適應(yīng)控制，在自適應(yīng)控制下多線性化措施相輔相成將是功放技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。在國(guó)內(nèi)，隨著相關(guān)市場(chǎng)的高速成長(zhǎng)，研制線性功放的需求也越發(fā)迫切。已經(jīng)初步具備了研制無(wú)線通信系統(tǒng)所需功放線性化技術(shù)。目前，大約三分之一的功放市場(chǎng)由專(zhuān)業(yè)技術(shù)公司占據(jù)，其余市場(chǎng)則被電信級(jí)系統(tǒng)供應(yīng)商壟斷，前者如 Spectrian、Power wave、Andrew 等公司，后者則包括朗訊、摩托羅拉、愛(ài)立信和諾基亞等

14、公司。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已有好多單位開(kāi)展了射頻功率放大器的研究和制作。無(wú)線通信市場(chǎng)是未來(lái)經(jīng)濟(jì)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)，作為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，滿足不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的功放應(yīng)該有廣闊的應(yīng)用前景2。第2章 功率放大器射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論2.1 S參數(shù)理論2.1.1 射頻電路網(wǎng)絡(luò)參量分析電路網(wǎng)絡(luò)時(shí)，低頻段通常采用的網(wǎng)絡(luò)參量是 Z、Y 和 h，它們可以用網(wǎng)絡(luò)輸入端和輸出端的電壓和電流來(lái)表示，可以通過(guò)輸入端和輸出端開(kāi)路或短路的辦法方便地測(cè)量出這些參量。但在射頻和微波頻段，因?yàn)闈M足測(cè)量時(shí)開(kāi)路或短路的條件很困難，而且由于寄生參量和器件內(nèi)部耦合，在進(jìn)行短路測(cè)量時(shí)很容易產(chǎn)生寄生振蕩而使測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。此外在微波頻段，輸入和輸出端均由

15、分布參數(shù)元件構(gòu)成，電壓、電流的概念是不完全確定的。因而不宜選用電壓電流作為網(wǎng)絡(luò)參量。由傳輸線理論可知，傳輸線上任何一點(diǎn)的電壓波都由一個(gè)入射波電壓和一個(gè)反射波電壓疊加而成，而這些電壓波在微波頻段測(cè)量是很方便的，因此常常采用端口的入射電壓和反射電壓作為微波網(wǎng)絡(luò)端口的變量，即在微波頻段采用散射參量，亦即 S 參量來(lái)表征網(wǎng)絡(luò)的特性。線 性二 端 口 網(wǎng) 絡(luò)線 性二 端 口 網(wǎng) 絡(luò) Vi1 Vi2 a1 a2 Zc1 Zc2 Zc1 Zc2 Vr1 Vr2 b1 b2 a） b)圖 2-1 以波為變量的二端口網(wǎng)絡(luò)如圖 2-1(a)所示，圖中 Vik 和 Vrk 分別表示第 k 個(gè)端口上的入射電壓波和反射

16、電壓波，k1 或 2；Zck 表示第 k 個(gè)端口上接的傳輸線的特性阻抗，k1 或 2。在實(shí)際應(yīng)用中，為了更直接與功率的傳輸聯(lián)系起來(lái)，常常采用歸一化入射電壓波 ak 和歸一化反射電壓波 bk，如圖 2-1(b)所示。所謂歸一化入射電壓波和歸一化反射電壓波，在數(shù)學(xué)上其定義為： (2-1) 也就是說(shuō)，第 k 端口上的歸一化電壓波就是第 k 端口上的電壓波用第 k 端口上接的傳輸線特性阻抗 Zck 歸一化。在實(shí)際應(yīng)用中傳輸線的特性阻抗 Zck 都是正實(shí)數(shù)。因此，在后文的分析中都假定 Zck 是正實(shí)數(shù)。由式(2-1)可求得： （2-2） 式中 Pik第 k 端門(mén)上的入射功率；Prk第 k 端口上的反射功

17、率。由式(2-2)可見(jiàn)，實(shí)際上就是第 k 端口上的入射功率，而實(shí)際上就是第 k 端口上的反射功率。因此，歸一化電壓波將電壓波與微波網(wǎng)絡(luò)中的功率傳輸很好地聯(lián)系起來(lái)了。如果以端口上的歸一化入射電壓波為自變量，歸一化反射電壓波為因變量，則由圖 2-1(b)可寫(xiě)出這時(shí)的線性二端口網(wǎng)絡(luò)方程為：b1=S11a1 + S12a2 b2=S21a1 + S22a2 （2-3） 或?qū)⑺硎境删仃囆问剑?（2-4） 式中 Sij網(wǎng)絡(luò)的散射參量，或簡(jiǎn)稱(chēng)為 S 參量，i、j1或2。Sij網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣，或簡(jiǎn)稱(chēng)為 S 矩陣。式(2-3)就是采用散射參量作為網(wǎng)絡(luò)參量后，微波網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)方程，也稱(chēng)之為散射參量方程，或 S 參

18、量方程。式(2-4)是散射參量方程的矩陣形式。2.1.2 S 參量的定義及其物理意義由線性二端口網(wǎng)絡(luò)的散射參量方程式(2-3)和式(2-1)可求得： 由該表達(dá)式，我們可以得知 Sij 是第 j 端口向第 i 端口的電壓傳輸系數(shù)，而 ak=0向我們表明了 k 端口傳輸線外接匹配阻抗 Zck，當(dāng)輸出波 bi 經(jīng)傳輸線向外傳輸?shù)截?fù)載時(shí)不會(huì)有反射波再向網(wǎng)絡(luò)傳輸。因此，線性二端口網(wǎng)絡(luò)的四個(gè) S 參量都有它們各自明確的物理意義，S11 和 S22 是電壓反射系數(shù)，S21 和 S12 是電壓傳輸系數(shù)。由上面的分析可以看出，對(duì)于不同的傳輸線特性阻抗 Zck。測(cè)量出來(lái)的 S 參量是不同的。因此，二端口網(wǎng)絡(luò)端口上

19、的傳輸線特性阻抗 Zck 就成為一個(gè)參考阻抗。原則上，各端口上的傳輸線特性阻抗，即參考阻抗是可以各不相同的，但在實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)參考阻抗決定于測(cè)量 S 參量的測(cè)量系統(tǒng)的特性阻抗，因此，測(cè)量出來(lái)的四個(gè) S 參量總是對(duì)同一參考阻抗而言的。所以，在以后的分析中，就假定兩端口的參考阻抗相等，即設(shè) Zc1Zc2Zc，且通常選擇這個(gè)特性阻抗為 50 歐姆。所以，如果要用別的參考阻抗就必須將 50 歐姆參考阻抗的 S 參量換算成相對(duì)于選擇的參考阻抗的 S 參量。由上述的討論還可以看出， S 參量是在端口上接以參考阻抗(通常為 50 歐姆)的條件下定義的，它們的測(cè)量也是在 50 歐姆負(fù)載下進(jìn)行的，由于負(fù)載重，

20、在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生振蕩的可能性很小。另外，在寬頻帶范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，不需要調(diào)整調(diào)諧短線(用以保證開(kāi)路或短路)，測(cè)量簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。這就是為什么在微波頻段，甚至在高頻頻段廣泛采用 S 參量的原因3-5。2.1.3 功率增益功率增益是微波晶體管放大器的主要指標(biāo)之一。在微波晶體管放大器電路分析與設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同的目的和要求，常常用到幾種不同的功率增益。如：工作功率增益 Gp (又稱(chēng)為實(shí)際功率增益或簡(jiǎn)稱(chēng)功率增益)、資用功率增益 Ga(又稱(chēng)為可用功率增益或有用功率增益)、轉(zhuǎn)換功率增益 Gt，此外還有最大功率增益、最大穩(wěn)定功率增益等，它們各有不同的定義和不同的物理意義。 放大器件 a1 a2 s

21、 1 2 L Zs ZL VS b1 b2圖 2-2 射頻放大器網(wǎng)絡(luò)示意圖由圖 2-2 可寫(xiě)出如下關(guān)系式：b1 =1a1 a 1= as +sb1 (2-6)A2=L b2 網(wǎng)絡(luò)的輸入功率為： 網(wǎng)絡(luò)的輸出功率為： 根據(jù)輸入功率和輸出功率的表達(dá)式可求出各功率增益的表達(dá)式。（1）工作功率增益 Gp工作功率增益 Gp（Operation Power Gain）是負(fù)載所吸收的功率 PL 和信號(hào)源傳送到放大器輸入端口的功率 P1 之比。負(fù)載吸收的功率即為網(wǎng)絡(luò)的輸出功率，即PL=P2，則工作功率增益為： 經(jīng)過(guò)一系列變換和整理之后得： 式中得到： C2=S22S11Ds （2-12）由式(2-10)可見(jiàn)，晶

22、體管的工作功率增益 Gp 除了和晶體管的四個(gè) S 參量有關(guān)外，還與負(fù)載反射系數(shù)(或負(fù)載阻抗)有關(guān)。因此，工作功率增益 Gp 對(duì)研究負(fù)載對(duì)放大器功率增益的影響是方便的。（2）轉(zhuǎn)換功率增益 Gt轉(zhuǎn)換功率增益 Gt(Transducer Power Gain)定義為放大器輸出端口負(fù)載所吸收的功率 PL 與信號(hào)源輸出的資用功率 P1a 之比。是放大器輸入端口共扼匹配時(shí)的 Gp。根據(jù)定義，經(jīng)過(guò)一系列變換與整理后得： 式(2-13)表明，轉(zhuǎn)換功率增益 Gt 除與放大器件的四個(gè) S 參數(shù)有關(guān)外，還與信號(hào)源反射系數(shù)和負(fù)載反射系數(shù)有關(guān)。當(dāng)同時(shí)研究信號(hào)源和負(fù)載對(duì)功率增益的影響時(shí)，采用轉(zhuǎn)換功率增益是很方便的。（3）

23、資用功率增益 Ga資用功率增益 Ga (Available Power Gain)定義為放大器輸出端口的資用功率 PLa與信號(hào)源的資用功率 P1a 之比值。它是放大器輸出端共軛匹配時(shí)的轉(zhuǎn)換功率增益。即在輸出端滿足條件： 由此可得出資用功率增益表達(dá)式為： (2-15)式中。式(2-15)表明，資用功率增益除與放大器件的四個(gè) S 參數(shù)有關(guān)外，還與信號(hào)源反射系數(shù)有關(guān)。因此，當(dāng)只研究信號(hào)源對(duì)放大器功率增益的影響時(shí)，采用資用功率增益是很方便的。根據(jù)上述三個(gè)功率增益的定義及物理意義，可以看出，一般情況下，對(duì)同一放大器而言，Gp>Gt、Ga>Gt，即上述三個(gè)功率增益中，轉(zhuǎn)換功率增益是最小的。只有

24、當(dāng)放大器的兩個(gè)端口都同時(shí)達(dá)到共扼匹配時(shí)，這三個(gè)功率增益才相等。（4）單向轉(zhuǎn)換功率增益由于晶體管內(nèi)部反饋的存在，微波晶體管是個(gè)雙向器件，即 S120。在放大信號(hào)過(guò)程中，由于器件內(nèi)部反饋造成的反向傳輸對(duì)放大器增益、頻率特性、穩(wěn)定性、噪聲性能及輸入輸出阻抗等都帶來(lái)不利影響，所以也給設(shè)計(jì)帶來(lái)許多復(fù)雜的問(wèn)題，特別是寬帶放大器設(shè)計(jì)中，這些問(wèn)題更為突出。因此，設(shè)計(jì)中人們總是力求器件的S12 減小。通常，性能良好的晶體管 S12 可達(dá)-20-40dB，而 S21 則為 515dB；性能較差的器件 S12 也在-10dB 以下。因此，在放大器增益估算或?qū)拵Х糯笃髟O(shè)計(jì)中，常常忽略 S12，即認(rèn)為 S120，然后再

25、在實(shí)際調(diào)整放大器中對(duì)設(shè)計(jì)加以修正。將器件視為單向器件時(shí)的轉(zhuǎn)換功率增益稱(chēng)為單向轉(zhuǎn)換功率增益，記作 Gtu。則有： （2-16）式中得到： (2-17)由式(2-16)和(2-17)可見(jiàn)，放大器單向轉(zhuǎn)換功率增益由三部分功率增益乘積構(gòu)成。G0 表示在定義 S21 的條件下，即輸入輸出端都接以參考阻抗 Z0 時(shí)，放大器的功率增益；G1 是由放大器輸入端口匹配狀態(tài)決定的輸入網(wǎng)絡(luò)附加功率增益；G2 則是由放大器輸出端匹配狀態(tài)決定的網(wǎng)絡(luò)附加功率增益。這三個(gè)功率增益是互相獨(dú)立的，因此單向放大器設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化了?？梢詥为?dú)設(shè)計(jì)輸入和輸出端口的匹配狀態(tài)，并利用 G1 和 G2 的頻率特性對(duì) G0 的頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償，

26、以得到寬帶放大器。將一個(gè) S120 的實(shí)際的雙向器件當(dāng)成 S12=0 的單向器件，由此設(shè)計(jì)出的放大器單向轉(zhuǎn)換功率增益 Gtu 與實(shí)際雙向器件的轉(zhuǎn)換功率增益 Gt 之間有明顯差別。這個(gè)轉(zhuǎn)換增益誤差與 S12 成正比，S12 越大，單向化設(shè)計(jì)誤差越大；反之 S12 越小，則誤差也越小6-10。2.2 穩(wěn)定性分析設(shè)計(jì)微波場(chǎng)效應(yīng)管放大器時(shí)，必須保證電路能穩(wěn)定地工作，不產(chǎn)生自激振蕩，并且遠(yuǎn)離自激振蕩狀態(tài)，在這一條件下討論放大器性能指標(biāo)的好壞才有實(shí)際意義。因此，研究放大器的穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)微波放大器的一個(gè)重要問(wèn)題。通常把晶體管的穩(wěn)定程度分為兩大類(lèi)：一類(lèi)叫做絕對(duì)穩(wěn)定或無(wú)條件穩(wěn)定，在這種情況下，負(fù)載阻抗和源阻抗可

27、以任意選擇，放大器都能穩(wěn)定地工作；另一類(lèi)叫做潛在不穩(wěn)定或有條件穩(wěn)定，在這種情況下，負(fù)載阻抗和源阻抗不能任意選擇，要有一定的限制，否則放大器不能穩(wěn)定地工作。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，總是希望能夠根據(jù)已知的晶體管的 S 參數(shù)，來(lái)判斷放大器是否絕對(duì)穩(wěn)定。穩(wěn)定系數(shù) K 的定義如下： Ds 如式(2-11)所示晶體管放大器絕對(duì)穩(wěn)定的充分且必要條件為： 實(shí)際上可證明，若 K>1 成立，則其他兩個(gè)等式左端必定同時(shí)大于或同時(shí)小于S12 S21，因此，只需檢驗(yàn)式(2-19)和其他任何一個(gè)條件，就能判斷放大器是否絕對(duì)穩(wěn)定。如果采用潛在不穩(wěn)定器件來(lái)設(shè)計(jì)放大器，其負(fù)載(L )的選擇就受到穩(wěn)定性的限制。這時(shí)就必須畫(huà)出穩(wěn)定圓、等

28、增益圓，將L 平面劃分為穩(wěn)定區(qū)域和不穩(wěn)定區(qū)域，這樣就可以很方便的直接在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)選擇L 。2.3 噪聲分析評(píng)價(jià)一個(gè)功率放大器的性能優(yōu)劣時(shí)，兩個(gè)很重要的指標(biāo)是噪聲系數(shù)與非線性失真。噪聲是一種隨機(jī)變量，它來(lái)源于射頻系統(tǒng)中的各元器件。一個(gè)線性系統(tǒng)，當(dāng)它處于小信號(hào)工作時(shí)，它的許多性能指標(biāo)都與噪聲有關(guān)，如信噪比、誤碼率以及解調(diào)器的最低可解調(diào)門(mén)限等。當(dāng)信號(hào)增大時(shí)，由于二極管和三極管的非線性特性，會(huì)產(chǎn)生增益壓縮、交叉調(diào)制和互相調(diào)制等一系列非線性失真。因此，接收機(jī)所能接收的最低信號(hào)電平直接受到其射頻部分固有噪聲的限制，而它能接收的最高電平又受到非線性失真的限制。電路中的噪聲來(lái)源、大小和度量方法，器件的非線性特

29、性及其對(duì)系統(tǒng)的影響是設(shè)計(jì)射頻電路的基礎(chǔ)。由電路知識(shí)可知，對(duì)已知的低噪聲器件，當(dāng)給定獲得最小的噪聲的最佳阻抗時(shí)，在任意源阻抗時(shí)放大器的噪聲系數(shù)為： 其中Fmin是最小噪聲系數(shù)，R n為噪聲電阻，Y sopt是最佳源導(dǎo)納，這些成為噪聲參數(shù)，噪聲參數(shù)的詳細(xì)定義和線性二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲參數(shù)描述見(jiàn)文獻(xiàn)。由上式可知，當(dāng)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)給晶體管或者場(chǎng)效應(yīng)管的阻抗為Ysopt時(shí)，得到的放大器噪聲系數(shù)為最小F min，但是為了得到最小輸入反射系數(shù)，或者最大增益，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)需要呈現(xiàn)給晶體管或者場(chǎng)效應(yīng)管的阻抗為S11*，這就需要在反射系數(shù)和噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)上做一定的權(quán)衡。進(jìn)行微波低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，需要知道微波晶體管的

30、 S 參數(shù)和噪聲參數(shù)即可。以前除了少數(shù)國(guó)外產(chǎn)品外，大部分器件生產(chǎn)廠家只提供 S 參數(shù)而沒(méi)有提供噪聲參數(shù)，而噪聲參數(shù)的測(cè)試又難以進(jìn)行，因此進(jìn)行低噪聲放大器設(shè)計(jì)時(shí)，主要還只能基于其 S參數(shù)來(lái)完成。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是用器件的單向化模型（即 S120），取 S11 的共軛來(lái)進(jìn)行輸入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，然后考設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整噪聲，有很大的盲目性，并且很難達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)。而現(xiàn)在大部分器件生產(chǎn)廠家都在提供的 S2P 文件中給出了噪聲參數(shù)，這對(duì)設(shè)計(jì)最優(yōu)的低噪聲特性是很方便的11。第3章 功率放大器的線性化分析和電磁兼容性3.1功率放大器的線性化分析理想的功率放大器是為射頻載波信號(hào)提供一個(gè)完全透明的傳輸通道。對(duì)工作頻帶

31、內(nèi)任意頻點(diǎn)的輸入信號(hào)，在全動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)固定比率地幅度放大、穩(wěn)定地相位偏移以及不變地時(shí)間延遲，同時(shí)不產(chǎn)生任何其他分量的信號(hào)成分，即對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行線性的功率放大。但是由于實(shí)際中任意放大器的傳輸函數(shù)均存在非線性分量，即在輸入射頻載波信號(hào)的放大輸出中不僅有被放大的載波成分，而且還存在著諧波、雜散、互調(diào)（如果輸入載波為多音調(diào)制信號(hào)）失真分量，同時(shí)放大器的增益、相移以及群時(shí)延等指標(biāo)還會(huì)隨著信號(hào)的頻率、幅度、環(huán)境溫度、器件老化等因素發(fā)生變化。實(shí)際的射頻功率放大器都是非線性的，也就是輸出信號(hào)會(huì)包含非線性的分量。此外這些功率放大器都是有記憶效應(yīng)的，也就是說(shuō)輸出不但與現(xiàn)在的輸入信號(hào)有關(guān)，而且與過(guò)去的信號(hào)有關(guān)。W

32、CDMA 的調(diào)制帶寬比較寬，所帶來(lái)的記憶效應(yīng)不能忽略。由記憶效應(yīng)產(chǎn)生的非線性失真時(shí)功放失真的主要成分。在做數(shù)字預(yù)失真電路分析時(shí)必須要考慮這一層因素。非線性失真可以通過(guò)多種方式予以描述：一種是幅度和相位響應(yīng)隨不同的輸入功率而變化，分別稱(chēng)為幅度失真(AM-AM)和相位失真(AM-PM)；另一種用于衡量非線性失真的方法是雙頻測(cè)試法，用產(chǎn)生的三階交調(diào)失真產(chǎn)物來(lái)衡量非線性失真程度；對(duì)于具有連續(xù)頻譜的數(shù)字調(diào)制信號(hào)可以用再生頻譜的功率大小來(lái)衡量非線性失真，稱(chēng)為相鄰信道泄漏功率比（ACLR）2。3.1.1 幅度失真(AM-AM)和相位失真(AM-PM)理想的放大器可以等效為一個(gè)具有線性傳輸特性的雙端口網(wǎng)絡(luò)，輸

33、出電壓與 輸入電壓成正比，即 vo(t )=civi(t) （3-1）其中 ci是放大器的線性電壓增益，vi(t) 是放大器的輸入信號(hào)，vo(t)是放大器的輸出信號(hào)。理想的放大器 AM/AM 和 AM/PM 曲線如圖 3-1 所示。實(shí)際上由于晶體管飽和影響，功率放大器具有非線性傳輸特性。圖 3-1(a)表示射頻放大器典型的幅度響應(yīng)，可以看出在功率放大器飽和區(qū)域附近增益降低，這就是AM-AM 失真。把輸出功率低于理想線性 1dB 時(shí)的點(diǎn)稱(chēng)為 1dB 壓縮點(diǎn)。相位響應(yīng)如圖 3-2所示，同樣隨著輸入功率的變化而變化，這稱(chēng)作失真。 a） b)圖 3-1 理想的功率放大器的 AM/AM 和 AM/PM

34、Input Voltage Input Voltage圖3-2 失真的功率放大器 AM/AM 與 AM/PM3.1.2 交調(diào)失真(IMD)無(wú)記憶的高功率放大器工作于弱非線性區(qū)時(shí)的傳輸特性可用一無(wú)窮項(xiàng)的冪級(jí)數(shù)來(lái)描述，即 Vo（t）=C1V1（t）+C2V1（t）²+ C2V1（t）³+ （3-2）V1（t）是放大器的輸入信號(hào)，Vo（t）是放大器的輸出信號(hào)。假定雙頻輸入信號(hào)為： V1（ t）= Acosw1+ cosw2 （3-3）把式（3-3）代入式（3-2），得到放大器的輸出為： Vo（t）=c1（Acosw1+ cosw2）+ c2（Acosw1+ cosw2）²

35、; + c3（Acosw1+ cosw2）³ （3-4）把 （3-4）展開(kāi)，并忽略第五項(xiàng)以后高階無(wú)窮小項(xiàng)的影響，功率放大器的輸出信號(hào)包含了直流、1、2、21、22、31、32、21±2、22±1、31±22、32±1等豐富的頻率成分。這些頻率成分經(jīng)濾波后，落在通帶內(nèi)的頻率成分除了信號(hào)頻率1、2以外，還有21±2、22±1、31±22、32±1等奇階交調(diào)失真分量。由于此時(shí)的功率放大器工作在弱非線性區(qū)，而五階交調(diào)失真(IMD5)分量的功率較三階交調(diào)失真(IMD3)分量要小得多，故在一般情況下用三階交調(diào)失真分量

36、來(lái)表示其非線性就足夠了。通常用21±2、22±1處的三階交調(diào)分量來(lái)表征放大器的非線性失真。奇階交調(diào)分量以相等間隔對(duì)稱(chēng)出現(xiàn)在兩個(gè)信號(hào)頻率的旁邊，形成旁瓣，所以奇階交調(diào)失真對(duì)弱信號(hào)是很有害的。隨著交調(diào)失真(n+1)1n2) 和(n+1)2n1) 階數(shù)的增加，其幅度相應(yīng)的減小。一旦求得交調(diào)分量的幅度后，就可以確定功放的交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)(intercept point)。交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)是功率放大器一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，很多半導(dǎo)體公司以其生產(chǎn)的功率放大器的交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)的大小來(lái)說(shuō)明其產(chǎn)品的性能。交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)定義為放大器輸出的信號(hào)的電平和交調(diào)失真成分的電平相等的點(diǎn)。顯然，放大器的信號(hào)電平一般情況下是

37、不會(huì)與交調(diào)分量的電平相等，也就是說(shuō)，交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)并不是客觀存在的，而是通過(guò)把信號(hào)功率直線和交調(diào)分量的功率直線延長(zhǎng)，使它們相交，此相交點(diǎn)即為交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)，如圖 3-3 所示。顯然各階交調(diào)失真都有相應(yīng)的交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。但一般只對(duì)三階交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)(IP3) 感興趣，并把它當(dāng)作重要的性能指標(biāo)列在放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中。而與 IMD2相對(duì)應(yīng)的 IP2 即很少被考慮，這是由于 IMD2 落在通帶以外，可被濾除的緣故。而IMD5 的電平往往比 IMD3 的電平小得多，所以與 IMD5 相對(duì)應(yīng)的 IP5 也很少考慮。更高階的 IP 可以忽略。由于上述原因，故在一般情況下只用 IP3 表示放大器工作在弱非線性區(qū)的線性

38、性能。然而當(dāng)放大器工作在飽和的強(qiáng)非線性區(qū)時(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：IMD3 的幅度變化很小也會(huì)引起 IP3 發(fā)生很大的變化，進(jìn)而使得雙頻測(cè)試的誤差加大。此時(shí)，若仍然使用雙頻測(cè)試就不能準(zhǔn)確地分析工作在強(qiáng)非線性區(qū)的功率放大器的性能。因此，IP3 在功率放大器的設(shè)計(jì)中并不是很常用。由于功率放大器是一種非線性器件，不管工作在線性區(qū)還是在非線性區(qū)，其都會(huì)產(chǎn)生非線性產(chǎn)物，只不過(guò)工作在線性區(qū)時(shí)，其表現(xiàn)出比較弱的非線性特性，已經(jīng)證明當(dāng)功率放大器工作在遠(yuǎn)離 1dB 增益壓縮點(diǎn)時(shí)，即工作在線性區(qū)時(shí)，其表現(xiàn)出較弱的非線性，此時(shí)，三階交調(diào)失真一般低于-30dBe。而在接收機(jī)的功率放大器或低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中很小的交調(diào)失真產(chǎn)

39、物也能使弱信號(hào)發(fā)生較大的失真，而此時(shí)的放大器一般都工作在弱非線性區(qū)，故用雙頻信號(hào)分析這種情況很有效。當(dāng)功率放大器工作在 1dB 壓縮點(diǎn)附近或超過(guò) 1dB 壓縮點(diǎn)的時(shí)候，則放大器就表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性，此時(shí)雙頻分析就顯得很不方便，必須采用其它更加有效的方法(如 ACLR)來(lái)加以分析。Pout（dBm） P1 P2 P(w1) P(2w1±w2) Pin(dBm)圖3-3 交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)3.1.3 功率放大器的線性化技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于射頻功率放大器的線性化技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作,研究熱點(diǎn)主要集中在前饋法、預(yù)失真法、負(fù)反饋法等幾種新技術(shù)上。隨著DSP、FPGA 等技術(shù)的快速發(fā)展，這幾種功放

40、線性化技術(shù)必將逐漸完善、普及而成為未來(lái)的發(fā)展方向，但由于目前成本和技術(shù)的原因，應(yīng)用尚不廣泛。在實(shí)際工程中，功率回退法這種簡(jiǎn)單有效的技術(shù)一直有著十分廣泛的應(yīng)用，下文提到的GSM直放站功率放大器模塊就采用了功率回退法來(lái)改善線性度。功率回退法是一種最簡(jiǎn)單的改善射頻功率放大器的方法。根據(jù)射頻功率放大器的本身特性，隨著輸入功率的增加，放大器輸出功率會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，即放大器輸出功率將不再隨著輸入信號(hào)功率的增加而線性增加，導(dǎo)致了輸出信號(hào)非線性失真的產(chǎn)生。功率回退技術(shù)是指使射頻功率放大器工作在低于其ldB壓縮點(diǎn)一定回退量的功率電平點(diǎn)上，使功率放大器遠(yuǎn)離飽和區(qū)，進(jìn)入線性工作區(qū)，從而改善射頻功率放大器的三階互調(diào)系

41、數(shù)。這種方法不需要增加任何附加設(shè)備，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是射頻功率放大器的功率效率非常低，而且當(dāng)IM3達(dá)到-40dB以下時(shí)，繼續(xù)回退將不再改善射頻功率放大器的線性度。第二代半移動(dòng)通信技術(shù)GSM/EDGE采用pi/8offsetspSK調(diào)制技術(shù)，信號(hào)峰均比較低(大約為3.2dB)，對(duì)射頻功率放大器的線性度要求不高，其高功率射頻功率放大器主要采用該線性化技術(shù)就可以滿足要求。新一代移動(dòng)通信技術(shù)中，信號(hào)峰均比增大，為了保證峰值功率的線性度，必須回退的更多，效率也就更低，因而不能僅僅采用該技術(shù)。在目前第三代移動(dòng)通信高功率射頻功率放大器設(shè)計(jì)中在采用更先進(jìn)的線性化技術(shù)的同時(shí)也常常結(jié)合使用該技術(shù)。3.2

42、功率放大器的電磁兼容性電磁兼容性（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值；另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。射頻電路工作在很高的頻率上，在元件引腳或者電路引線上會(huì)產(chǎn)生一定的寄生參量。而射頻功率放大器中，在高功率、大電流的環(huán)境下，寄生參量對(duì)于系統(tǒng)的影響大大增加。另外，引線電感及走線電感等又是引起高頻輻射干擾的重要因素，這些功率不小的電磁干擾( EMI)可能會(huì)使功率放大器本身、電源部分或者

43、系統(tǒng)的其他部分的性能大幅下降，很多情況下會(huì)直接影響系統(tǒng)的多項(xiàng)主要指標(biāo)。為了盡可能減小電磁干擾的影響，需要在電路設(shè)計(jì)中采取電磁兼容( EMC)措施，這樣做也能有效地減少后期調(diào)試工作量，增加產(chǎn)品的可靠性和一致性，提高產(chǎn)品性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有90的電磁兼容問(wèn)題是由于布線和接地不當(dāng)造成的，因此在電路設(shè)計(jì)的一開(kāi)始就要考慮接地設(shè)計(jì)，這是解決電磁兼容問(wèn)題最廉價(jià)和有效的方法。接地的目的有兩個(gè)，一是為傷害電流提供一個(gè)通路，即安全地，通常在電源設(shè)計(jì)中要考慮安全地的設(shè)計(jì)。接地的另一個(gè)目的是為輸入系統(tǒng)的信號(hào)提供一個(gè)參考。古典的地線定義是作為電路或系統(tǒng)參考的等電位點(diǎn)或面，然而，當(dāng)?shù)鼐€上有電流流過(guò)時(shí)，這個(gè)定義是沒(méi)有意義的

44、。即使信號(hào)電流能夠忽略，外界電場(chǎng)或磁場(chǎng)在地線上感應(yīng)的地電流也會(huì)引起電位的變化。設(shè)計(jì)良好的接地系統(tǒng)能使這種電位差最小，但不能消除它，因此定義地線為電流能夠流回源的一條低阻抗路徑 較為合適，此定義強(qiáng)調(diào)了電流的流動(dòng)和對(duì)低阻抗的要求，是高頻功放中接地設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想。接地可分為單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地三種，對(duì)于射頻功放，由于工作于高頻、大電流狀態(tài)，我們采用就近接地(多點(diǎn)并聯(lián)接地)，各放大模塊直接安裝于散熱器上。由于多點(diǎn)接地時(shí)易產(chǎn)生公共阻抗耦合問(wèn)題，因此要減小接地阻抗和地線阻抗。功放中放大電路通常工作于共射形式，也就是要減小功率管的底座的接地阻抗，因此要求安裝底板光潔平整，且增加固定螺釘以保證它與散熱

45、器(功放中的公共地)可靠接觸。由于高頻電流的趨膚效應(yīng)，地電流僅在散熱器表面流動(dòng)，我們采取對(duì)模塊底板和散熱器進(jìn)行導(dǎo)電氧化的方法來(lái)減小地線阻抗。另外，為抑制多級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí)的公共地線耦合，把輸入電源的接地位置置于靠近末級(jí)功放處，這樣末級(jí)功放較大的地線電流就不流過(guò)前級(jí)的地線了。輸入電源接地線的選擇原則是短、寬、直。在功放中我們常選用多股電刷線并聯(lián)接地。同時(shí)，合理的線纜設(shè)計(jì)可以提高電磁兼容性能。線纜設(shè)計(jì)歸結(jié)為兩個(gè)方面：接線屏蔽和線纜的走線布置。功放初樣機(jī)中，一些射頻連接電纜選用了SFF系列軟電纜，接頭處和電纜本身泄露較大，影響了功放的穩(wěn)定工作，查閱有關(guān)資料后，全部射頻電纜均改用半剛電纜(如SFT系列)，屏蔽

46、效果大大提高，參看表3-1數(shù)據(jù)：表3-1 各電纜的屏蔽效能電纜類(lèi)型屏蔽效能(dB)普通線0(基準(zhǔn))雙絞線13普通同軸電纜27半剛電纜80 另外，在走線布置時(shí)，我們采取以下措施：1)輸入射頻電纜與輸出射頻電纜在空間上盡量遠(yuǎn)離，分布于功放散熱器的兩面。2)強(qiáng)弱信號(hào)線、電源線分開(kāi)布線，由于當(dāng)兩平行導(dǎo)線中有電流流過(guò)時(shí)，彼此將通過(guò)磁交鏈而產(chǎn)生電磁耦合，從而互相干擾，因此我們按照電路工作性質(zhì)，將同一功能及電壓電流等級(jí)相近的信號(hào)線、控制線、大電流中線等分別歸類(lèi)、捆扎。關(guān)鍵的走線，如功率控制線，接口控制線等采用專(zhuān)用屏蔽電纜。第4章 功率放大器設(shè)計(jì)隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)的調(diào)制形式越來(lái)越復(fù)雜。系統(tǒng)的非線性特

47、性使得發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生帶外輻射（out-band emitter）和帶內(nèi)互調(diào)，這兩項(xiàng)都是我們所不需要的。帶外輻射使得通信系統(tǒng)對(duì)鄰信道的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，帶內(nèi)互調(diào)增加了系統(tǒng)的BER。而在現(xiàn)代無(wú)線系統(tǒng)通信系統(tǒng)中，末級(jí)功放是產(chǎn)生系統(tǒng)的非線性效應(yīng)的主要功能模塊之一，這就使得系統(tǒng)提出了對(duì)功放的線性度的要求。提高功放的線性度有兩種方法，其一為功率回退法，即為采用大功率的功放管，讓其工作在較小的輸出功率上；其二為線性化技術(shù)，即為 LPA。前一種技術(shù)比較簡(jiǎn)單，成本較低，但是整個(gè)功放系統(tǒng)的效率比較低；后一種技術(shù)較為復(fù)雜，成本也較高，但是功放的效率比較高。線性化技術(shù)(LPA)是射頻/微波功率放大器的發(fā)展主要方向。本功

48、放采用功率回退技術(shù)來(lái)滿足線性度的要求。傳統(tǒng)意義上，標(biāo)稱(chēng)微波/射頻器件或者功能模塊的非線性程度的好壞的指標(biāo)為IIP3（輸入三階交調(diào)截獲點(diǎn)）或者 OIP3（輸出三階交調(diào)截獲點(diǎn)），這是我們選擇器件的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)然，IIP3 和 OIP3 兩者之間有著相互的內(nèi)在聯(lián)系，知其一就可以推導(dǎo)出另外一個(gè)指標(biāo)。隨著移動(dòng)通信和調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的三階交調(diào)指標(biāo)已經(jīng)不能完全衡量復(fù)雜調(diào)制信號(hào)通過(guò)微波器件或者功能模塊時(shí)的非線性特性，特別是功率較大，五階交調(diào)響應(yīng)不能忽略時(shí)。射頻模塊的設(shè)計(jì)主要滿足兩點(diǎn)，其一為提供一定的增益和功率，其二為提供一定的頻率選擇性，即為滿足所要求的非線性特性，GSM 功放的設(shè)計(jì)也是為了滿足上述兩

49、個(gè)指標(biāo)1213。4.1 功放設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求功率放大器的一個(gè)主要特點(diǎn)是工作在大信號(hào)的非線性狀態(tài)。射頻功率放大器與小信號(hào)放大器不同，作為功率放大器應(yīng)該有較大的輸出功率和效率，同時(shí)滿足帶寬、線性度、增益和穩(wěn)定性要求。如果是功率放大器組件，其增益由多級(jí)放大器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)合理的增益分配，將多級(jí)級(jí)聯(lián)起來(lái)，則放大器的級(jí)間匹配，總體增益，頻率響應(yīng)特性和穩(wěn)定性都需要統(tǒng)籌考慮，因此功率放大器的設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多。下面幾個(gè)方面應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)注意：(1) 合理選擇功放管"這是設(shè)計(jì)中的首要環(huán)節(jié)，管子的使用頻率、功率、放大效率、頻帶和穩(wěn)定性等性能都要考慮。(2) 選擇合適的工作狀態(tài)。射頻功率放大器的工作狀態(tài)主要由功率、效率

50、、失真度等性能來(lái)決定。既要提高線性度又要兼顧效率。選擇合適電路，電路設(shè)計(jì)時(shí)盡可能簡(jiǎn)化?？刹捎玫湫涂煽康碾娐?，合理分配增益，減少放大器的級(jí)數(shù)，甚至慎用線性化技術(shù)，以便降低故障率。(3)精心設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)。由于功率放大器處于非線性狀態(tài)，因此諧波和交調(diào)分量嚴(yán)重，因此匹配網(wǎng)絡(luò)除了具有阻抗變換的作用外，還有濾波器的作用，所以必須仔細(xì)設(shè)計(jì)。合適的匹配網(wǎng)絡(luò)可以大大提高放大器的各項(xiàng)性能。(4)了解功放在大信號(hào)工作條件下，一些獨(dú)有的特征，設(shè)計(jì)線性功放時(shí)多加注意。要考慮到放大器的穩(wěn)定性特性、過(guò)激效應(yīng)、寄生參數(shù)和溫度特性等。安全性也一定要考慮到，特別是功放工作在高電壓或者高電流的時(shí)候。在整體射頻模塊的整合過(guò)程中，除了

51、掌握整體性能與各組件的適合性外，還要克服電路間彼此干擾及匹配的問(wèn)題。電路布局適當(dāng)與否也是影響成敗的關(guān)鍵，既要避免信號(hào)間耦合，又希望盡量縮小電路面積，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都是彼此相連且環(huán)環(huán)相扣的，所以設(shè)計(jì)過(guò)程可以說(shuō)是相當(dāng)繁瑣。GSM直放站功率放大器模塊主要指標(biāo)要求如下：1、頻率范圍（MHz）：9309602、最大輸出功率（dBm）：393、功率增益（dBm）：554、三階交調(diào)抑制 - 45dBc4.2 本方案采取的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，該功率放大器模塊整體功率增益為55dB，輸出功率為39dBm。一般情況下，多數(shù)廠家提供的場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)的放大器增益不超過(guò)20dB，常用的集成功率放大芯片的功率增益也在30dB左右，加上設(shè)計(jì)中應(yīng)留出的余量，我們決定采用三級(jí)放大的結(jié)構(gòu)。模塊結(jié)構(gòu)如圖 4-1 所示。RF PI型衰減網(wǎng)絡(luò) 第一級(jí)功放 第二級(jí)功放 第三級(jí)功放 饋電電路 隔離電路 耦合檢測(cè)電路圖4-1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)第一級(jí)放大主要是為了減小由于 PI 型衰減器的插入損耗而使得功放的噪聲系數(shù)的提高。PI 形衰減網(wǎng)絡(luò)主要是起到兩個(gè)作用：其一是改善功放的輸入駐波，其二是調(diào)整功放鏈路的增益。功放電路中放大管的總的電路增益為 60dB，大