高功率放大器

1、高功率放大器大唐電信無線公司 周繼祿 zhoujl摘要：本文論述發(fā)信設(shè)備功率放大器電路組成、工作原理、技術(shù)指標(biāo)定義和測試方法以及設(shè)計(jì)原則。1、 用途及特點(diǎn)在無線通信系統(tǒng)，高功放（HPA）是發(fā)信電路重要組成部份。通常，它由多級放大器構(gòu)成，其輸出端是發(fā)射鏈路最高電平點(diǎn)，它經(jīng)雙工器與發(fā)射天線連接。HPA在發(fā)信電路部位如圖1所示。MIXRFMODBPFHPAMULBB發(fā)射天線圖1a HPA在發(fā)射機(jī)位置RFLNABPFHPAMULRF發(fā)射天線圖1b HPA在直放機(jī)位置DRI高功放主要作用，是在發(fā)射頻率上，將低電平信號放大到遠(yuǎn)距離傳輸所要求的高功率電平。因頻段、傳輸距離、天線增益、信號調(diào)制方式等因素，不同

2、發(fā)射機(jī)HPA輸出功率差異甚大。在常用微波頻段（800MHz28GHz）可從幾十瓦到幾十毫瓦不等。高功放電路特點(diǎn)：（1） 在大容量（或多載波）數(shù)字通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)HPA電路尤其是末級電路，常發(fā)生大功率輸出與線性要求之間矛盾。經(jīng)常采用三種解決辦法 * 采用平衡放大電路，其合成輸出功率較單管增加一倍且保持單管線性。在常用微波頻段經(jīng)常用下圖所示正交混合電路（或3dB橋）實(shí)現(xiàn)功率合成。ADummy loadRF OutputAQuadrature Hybrid * 采用予失真補(bǔ)償電路，設(shè)計(jì)一個予失真網(wǎng)絡(luò)使它產(chǎn)生的三階互調(diào)與HPA三階互調(diào)在輸出合路器中相互抵消。構(gòu)成方式如下圖所示，A互調(diào)產(chǎn)生相位、幅度調(diào)整分

3、支分支A予失真補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、帶寬窄，使用不普遍。 *在HPA前級設(shè)置自動電平控制（ALC）電路，通過末級輸出耦合檢波直流，控制PIN衰耗，保持輸出功率恒定。防止因前級輸入電平過高因飽和失真。該方法只能予防失真而不能改善失真，直流放大比較PIN衰耗器RF檢波（注：ALC與大容量長距離數(shù)字微波采用的ATPC不同，前者是以保持發(fā)射機(jī)輸出功率恒定，防止失真為目的，采用的是開環(huán)控制方式。而自動發(fā)射功率控制（ATPC）是發(fā)射機(jī)功率受控于對端接收電平，當(dāng)電波傳播發(fā)生深度平衰落時，提高發(fā)射功率，最大可達(dá)到額定功率。在正常傳輸時間里使發(fā)射功率小于額定功率10dB。采用的是閉環(huán)控制方式。是以減輕干擾、抗平衰落

4、為目的。）（2）HPA采用的大功率器件都呈現(xiàn)極低的輸入、輸出阻抗，其阻抗實(shí)部絕對值很小，都在13歐姆左右，而容抗和引線電感很大。對這樣的大功率器件進(jìn)行輸入、輸出和級間匹配非常困難。因單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)的發(fā)展，許多廠家已制造出輸入輸出內(nèi)匹配的大功率器件，大大地緩解設(shè)計(jì)難度。（3）HPA輸出級必須要考慮空載保護(hù)。若與輸出負(fù)載間發(fā)生嚴(yán)重失配（如，連接天線饋線開路或短路）末級與輸出負(fù)載電路之間將產(chǎn)生大駐波電壓，駐波峰值電壓一旦落在器件漏極，它與供電電壓迭加將使器件擊穿。在微波頻段常采取二種保護(hù)方法，在4GHz以上頻段借助于輸出隔離器中的反向吸收負(fù)載R吸收反射波，它如下圖所示，反射波主波吸

5、收負(fù)載R=50 ohm去天線反射波檢波iso.cou.outin.定向耦合器去告警和保護(hù)電路比較電壓去ALC檢波去天線在低頻段常用定向耦合器（Diectional coupler）檢測反射波，超出定值時自動切斷功放電源并發(fā)出告警。工作示意圖如下設(shè)計(jì)工程師可根據(jù)工作頻率、電路結(jié)構(gòu)選取分布參數(shù)或集中參數(shù)定向耦合器。（注：定向耦合器是互易器件，當(dāng)信號從原規(guī)定的“IN”口輸入改為“OUT”口輸入時，其耦合口“COUP”和隔離口“ISO”也將互換。定向耦合器常用二個參數(shù)表征如下：耦合量 CdB = 10log(Pco/Pin)方向性 DdB = 10log(Pco/Pis)其中 Pin , Pco ,

6、Pio 分別為入口輸入功率、耦合口及隔離口輸出功率。）-48VDC/DC過壓保護(hù)柵壓電路漏壓電路延遲開關(guān)Vd-Vg（4）目前在HPA電路常用高頻大功率砷化鎵場效應(yīng)晶體管（GaAsFET）或者用其管芯制作的MMIC“放大塊”，開關(guān)機(jī)時，如柵偏壓稍遲后于漏壓或無柵壓時即會損壞。因而偏置電路要有保護(hù)措施，下圖為保護(hù)措施之一。根據(jù)所用器件，高功放大致可分成三種類型：* 硅雙極晶體管（Si Bipolar Transistor）功率放大器。在大功率放大時，單管增益及效率低，帶寬窄，線性及反向隔離差，它通常用于3GHz以下頻段，其優(yōu)點(diǎn)是便宜和不需負(fù)偏壓。但目前已逐漸被場效應(yīng)晶體管功放所代替。* 砷化鎵場效

7、應(yīng)晶體管（GaAs Field-Effect Transistor）功率放大器。它包括由砷化鎵場效應(yīng)晶體管管芯制成的內(nèi)匹配單片微波集成電路（MMIC）。這類器件工作頻率及效率高，線性及反向隔離性能都優(yōu)于硅雙極晶體管，目前商用化器件最高工作頻率可達(dá)40GHz,實(shí)驗(yàn)室可達(dá)80GHz。尤其內(nèi)匹配MMIC集成功放塊帶寬寬、穩(wěn)定得到普遍應(yīng)用。需要負(fù)偏置及偏置保護(hù)電路是缺點(diǎn)。*砷化鎵異結(jié)質(zhì)雙極晶體管（GaAs Heterojunction Bipolar Transistor）功率放大器。這種器件特別適宜功放應(yīng)用，它有砷化鎵場效應(yīng)晶體管一樣好的性能（特別在線性和高耐壓性能上更好些），同時它又克服了需要負(fù)偏

8、置及偏置保護(hù)電路的缺點(diǎn)。它發(fā)展歷史較短（走出實(shí)驗(yàn)室僅十年）在大功率應(yīng)用可靠性上人們還不放心。2、 電路構(gòu)成及工作原理高功放只是發(fā)信設(shè)備的一個組成部分，它的構(gòu)成和功能完全取決于整個設(shè)備性能的要求。不同用途的發(fā)信設(shè)備其具體電路構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)的功能會有差別。例如下面給出的7GHz微波發(fā)射機(jī)功放電路其輸入為恒定電平，該電路不帶ALC功能。 功能框圖及主要電路組成如圖2所示。FET1FET2隔離器隔離器MMICMMICMMIC隔離器FET3監(jiān)測正交耦合器正交耦合器-Vg合器-Vg合器-Vd合器-Vd合器Ro合器Ro合器Ro合器Ro合器Ro合器圖 2b 功放電路組成低噪聲放大驅(qū)動級末前級末級圖 2a 功放構(gòu)成

9、框圖 G=2*12dB G=8dB G=4dB G=4dBPin=- 7dBmPout=33dBm-7dBm +5dBm +17dBm +25dBm +29dBm +26dBm +30dBm +33dBm 圖2 給出7GHz 發(fā)射機(jī)功放框圖和主要電路。 該電路由五級放大組成，前四級為單管串聯(lián)放大，末級為平衡功率放大。按各級功能和所處位置也可稱作低噪聲放大級、驅(qū)動級、末前級、末級。整個放大器采用二種封裝工藝砷化鎵場效應(yīng)器件，前三級放大用分立元件場效應(yīng)晶體管，后二級用單片微波集成電路MMIC，并采用帶保護(hù)電路的雙極性偏置電壓（具體電路省略）。該電路總增益40dB,線性輸出2瓦（33dBm）。 各部

10、分作用： 低噪聲放大級- 眾所周知，變頻式發(fā)射機(jī)輸出噪聲主要成分是調(diào)相噪聲，其主要來源是發(fā)射振蕩器產(chǎn)生的相位噪聲。所以在發(fā)射機(jī)指標(biāo)中都要規(guī)定振蕩器相噪，而對這類發(fā)射機(jī)中的HPA熱噪聲要求不高，通常HPA噪聲系數(shù)在6 8dB時都可滿足要求。在直放式發(fā)射機(jī)中，盡管輸出噪聲主要成分是熱噪聲，因直放機(jī)收信輸入端都有精心設(shè)計(jì)的高增益低噪聲放大器（LNA），它有足夠高的增益和極小噪聲系數(shù)，從而減輕了對HPA低噪聲要求。 相對于接收機(jī)低噪聲放大級而言，在HPA中提出低噪聲放大概念似乎不恰當(dāng)，但它畢竟是多級級聯(lián)放大器輸入級，是HPA本身熱噪聲的主要來源，相對HPA其他級而言，對HPA前級要提出低噪聲高增益要求

11、。 驅(qū)動級- 采用平衡式末級輸出方案時，末前級輸出功率與末級單管輸出功率幾乎相近，它為末前級提供足夠地輸入激勵功率。驅(qū)動級通常采用中功率輸出器件。 末前級- 末前級功放主要作用是補(bǔ)償末級輸入正交耦合器分路損耗（3dB），并為二只并聯(lián)末級功放管提供輸入功率。末級- 如圖2所示，它采用二只相同特性的MMIC功率放大塊和二只相同特性的正交耦合器組成平衡功率放大器。為取得良好性能，上、下二支路應(yīng)當(dāng)在工作頻段保持幅度、相位特性相同。這樣結(jié)構(gòu)的輸出功放有三個特點(diǎn)， * 較單管線性最大輸出功率提高3dB。 * 如下圖所示，利用輸入端正交耦合器相位正交特性，使上、下二支路放大管入端反射波在正交耦合器入口抵消，

12、有效地改善了末級與末前級之間匹配。190000243入射波Vin反射波VrefS11ei（MMIC輸入反射系數(shù)）S11ei（MMIC輸入反射系數(shù)）令輸入端口1入射波為Vin=Vrsm e it，那么，它從輸出端口2和4反射到端口1的合成反射波為Vref= (Vrsm/2) S11 e (-it+i+180) + (Vrsm/2) S11 e (-it+i)=0 ，即表明，當(dāng)正交耦合器輸出端口2和4接相同負(fù)載時，返回到端口1的合成反射波抵消。實(shí)際電路不會理想對稱，合成反射波不會完全抵消，然而卻能顯著地改善末級與末前級之間匹配。 * 當(dāng)某一MMIC放大塊損壞時，另一放大塊仍可正常工作（僅功率較原先

13、降低6dB）。 隔離器- 該器件輸入、輸出阻抗在很寬頻帶內(nèi)等于特性阻抗，并且正向傳輸損耗很?。ㄍǔ?.5dB以下）而反向傳輸損耗很大（通常25dB以上），即有單向傳輸特性。它常用在多級高增益放大器的輸入、輸出、級間電路吸收反射波改善匹配，使帶內(nèi)正向傳輸特性（如幅頻特性、時延特性）更平坦，同時它又在很寬頻帶內(nèi)產(chǎn)生反向損耗，減小后級對前級耦合，從而有效防止帶內(nèi)、帶外自激。 其中末級輸出隔離器還肩負(fù)輸出負(fù)載開路保護(hù)作用。 末級耦合輸出-用于輸出功率監(jiān)測。3、 高功放電氣特性這里討論的高功放，它是具體發(fā)射機(jī)的一部分，對電氣指標(biāo)要求以及指標(biāo)項(xiàng)目規(guī)定完全取決于正機(jī)指標(biāo)的規(guī)定和分配，它與商用說明書供用戶選用

14、參考的通用放大器所規(guī)定的指標(biāo)和項(xiàng)目有所不同。1） 工作頻段-是指放大器滿足或優(yōu)于所規(guī)定的電氣性能時，實(shí)際所要求的工作頻率范圍。（注：放大器是寬帶部件，其3dB帶寬較“工作頻段”寬得多。）2） 額定輸出功率-在規(guī)定的輸入電平和滿足傳輸線性條件下，在規(guī)定的負(fù)載上所要求的輸出功率值。為滿足工作溫度變化，通常以常溫值為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上、下限，如 P+0dB-2dB 。輸出功率是絕對值，單位用W,mw,dBm,dBw表示 。（注：在測試發(fā)射機(jī)額定輸出功率指標(biāo)時，必須在調(diào)制狀態(tài)下用功率計(jì)測試，而高功放應(yīng)在工作載波狀態(tài)下用頻譜儀測試。）3） 增益-放大信號輸出與輸入功率之比，它是相對量，通常用dB表示。通常在中心

15、頻率額定輸出電平下測量。4） 幅頻特性（或帶內(nèi)波動）-它定義為放大信號輸出幅度隨頻率的變化量。它用工作頻率范圍內(nèi)最大輸出幅度與最小幅度（用dB單位）差值表示。該差值即是用dB表示的放大器輸出幅度隨頻率變化的峰-峰值。例如，要求帶內(nèi)波動小于等于0.3dB時，可表示為Ap-p0.3dB。應(yīng)指出，該指標(biāo)不計(jì)入幅度隨溫度的變化量。當(dāng)放大器件確定后，放大器幅頻特性主要決定因素是fhflAminAmaxAp-p=0.3dB 輸入、輸出、級間匹配特性。該參數(shù)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量。5） 傳輸（相對）時延（或傳輸相位特性）-它定義為放大信號通過放大器所需要的傳輸時間隨頻率的變化量。它用工作頻率范圍內(nèi)最大傳輸時

16、間與最小傳輸時間（用ns,s單位）差值表示。該差值即表示放大器傳輸（相對）時延峰-峰值。例如，要求帶內(nèi)(相對)時延小于等于3ns時，可表示為p-p3ns。應(yīng)指出，該指標(biāo)不計(jì)入時延隨溫度的變化量。當(dāng)放大器件確定后，時延主要決定輸入、輸出、級間電路匹配及電抗特性。maxp-p=3nsminfhfl 該參數(shù)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量。6） 噪聲系數(shù)-定義輸入信噪比與輸出信噪比的比值， Nf =(Si/Ni)/ (So/No) Nf dB=10log(Nf) (注-噪聲系數(shù)另種表示方法（它在衛(wèi)星通信中常用），用噪聲溫度表示Tn,單位kelvin, 二者關(guān)系：Nf dB=10log(Tn/290+1) 。)

17、7） 雜散發(fā)射（Spurious emissions）-尚未見到通用定義，具體定義及測試方法必須參照相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 例如，在英國郵電部（MPT1407）標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)字微波發(fā)射機(jī)雜散定義為：必要帶寬以外頻率發(fā)射（并且不包括由調(diào)制過程產(chǎn)生的必要帶寬以外頻率的發(fā)射），必要帶寬定義為二倍的傳輸符號率。同時指明必須在載波狀態(tài)下測量。 盡管各系統(tǒng)雜散發(fā)射定義有所差異，但下述概念一致 *雜散發(fā)射包括諧波發(fā)射、寄生（自激）發(fā)射、互調(diào)產(chǎn)物、變頻產(chǎn)物， *雜散發(fā)射值用規(guī)定的參考帶寬內(nèi)平均功率表示， *用頻譜儀測量。功放是發(fā)射機(jī)一個部件，功放雜散發(fā)射測量頻率范圍及指標(biāo)規(guī)定應(yīng)由具體發(fā)射機(jī)分配而定。功放雜散產(chǎn)物主要是寄

18、生發(fā)射，建議在加載波和不加載波二種狀態(tài)下測量。互調(diào)失真-在工作頻帶二個或以上單音信號通過功放后，因放大器非線性在其輸出端產(chǎn)生諧波及組合頻率產(chǎn)物，用它衡量放大器線性。通常用二個單音在額定輸出電平測量。雙音互調(diào)失真譜如下圖，通常二階和三階產(chǎn)物是主要成分且距工作頻帶最近。僅為了衡量通帶內(nèi)放大器線性且?guī)捫∮谝粋€倍頻程時，經(jīng)常將三階互調(diào)和互調(diào)失真等同，并只測三階互調(diào)。當(dāng)測一個系統(tǒng)的互調(diào)衰減時應(yīng)根據(jù)所規(guī)定的測量頻率范圍對所有的互調(diào)產(chǎn)物測量。pim3pfh-flfh+fl2fl2fhflfh2fh-fl2fl-fhIM3二階互調(diào)二階互調(diào)三階互調(diào)雙音信號 用二個單音測量三階互調(diào)時，可用二種方法表示互調(diào)失真，

19、 用絕對電平 Pim3 (dBm) 用相對電平 (IM3)dB=10log(P im3/P) (dBc) 假如知道輸入信號功率Pin和放大器輸出三階截?cái)帱c(diǎn)OIP3及增益G，可求出三階互調(diào)絕對電平 Pim3=3（Pin+G）- 2OIP3 (dBm)三階互調(diào)相對電平 ( IM3)dB=-2OIP3-（Pin+G） (dBc)應(yīng)指出，上述公式是近似公式，僅用于選取放大器時參考。如果僅知道放大器1dB增益壓縮點(diǎn)P1dB，可近似估算OIP310+ P1dB 。多級放大器互調(diào)失真計(jì)算：(IM3)1(IM3)2(IM3)n(IM3)TOT其中(IM3)1 ,.(IM3)n 為用功率比值表示的每級互調(diào)失真，(IM3)TOT為總互調(diào)失真。當(dāng)每級互調(diào)電壓相位彼此無關(guān)時，用功率比值表示的總互調(diào)失真與每級關(guān)系 (IM3)TOT=(IM3)1+(IM3)2+.+(IM3)N當(dāng)每級互調(diào)電壓相位同相時，用功率比值表示的總互調(diào)失真與每級關(guān)系(IM3)TOT1/2=(IM3)11/2+(IM3)21/2+.+(IM3)N1/2舉例，三級放大器要求總互調(diào)