功率放大器設(shè)計(jì)

1、1提高功率放大器的線性，是當(dāng)前微波電路設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)。2工作頻帶是指放大器應(yīng)滿足全部性能指標(biāo)的連續(xù)頻率范圍。硅雙極型晶體管功率放大器和硅金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管功率放大器的工作頻率是從300MHz到4GHz（注：以上數(shù)據(jù)是1995年前水平），砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管功率放大器的工作頻率是從一吉赫到幾十吉赫。為了適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展，專門(mén)開(kāi)辟了標(biāo)準(zhǔn)通信頻道，工作帶寬從0.5GHz到1GHz，如表7-1所列。表 7-1 微波通信專用頻段頻段C頻率(GHz)3.74.24.45.05.35.95.96.46.47.27.17.77.78.5頻段X, Ku頻率(GHz)9.510.510.711.711.712.212

2、.713.214.014.531飽和輸出功率當(dāng)功率放大器的輸入功率加大到某一值后，再加大輸入功率并不會(huì)改變輸出功率的大小，該輸出功率稱為功率放大器的飽和輸出功率。21dB壓縮點(diǎn)輸出功率P1dB功率放大器增益壓縮1dB所對(duì)應(yīng)的輸出功率稱為1dB壓縮點(diǎn)輸出功率，記作P1dB。最好的功率匹配并不能得到最好的增益匹配。通常高功率器件的增益低于低功率器件的增益。在寬帶系統(tǒng)中要想得到較好的功率輸出是很難實(shí)現(xiàn)寬帶匹配的。4功率放大器的功率效率0是功率放大器的射頻輸出功率與供給晶體管的直流功率之比。直流輸入功率射頻輸出功率P（7-1）對(duì)于雙極晶體管情況，P稱為集電極效率，對(duì)于 MOSFET 和 MESFET，

3、稱之為漏極效率。顯然，這種定義并沒(méi)有考慮晶體管的放大能力，即具有相同功率效率的兩個(gè)晶體管的功率增益可以差別很大。通常，在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，希望用功率增益高的功率晶體管。為此，又給出另一種定義直流輸入功率射頻輸入功率射頻輸出功率 add（7-2）add稱為功率放大器的功率附加效率，它既反映了直流功率轉(zhuǎn)換成射頻功率的能力，又反映了放大射頻功率的能力。很明顯，用功率附加效率add衡量功率放大器的功率效率是比較合理的。5交調(diào)失真是具有不同頻率的兩個(gè)或更多的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器而產(chǎn)生的混合分量，它是由于功率放大器的非線性造成的。若輸入 l 個(gè)信號(hào)，其角頻率分別是1、2、l，由于功率放大器的非線性作用，

4、輸出分量中將包含許多混合分量, 2 , 1 , 0,21pnmpnml各分量分別稱為（m+n+p）階交調(diào)分量。功率放大器的非線性越強(qiáng)，交調(diào)分量越大。交調(diào)分量的大小可以用交調(diào)系數(shù)表示，假如輸入 l 個(gè)等幅信號(hào)， （m+p）階交調(diào)系數(shù)可以寫(xiě)成dBc lg10lg101lpmpmpmPPPPM式中，P1、Pl分別對(duì)應(yīng)于角頻率1、l的波輸入功率；Pm+p是（m+p）階交調(diào)功率。Mm+p的單位是 dBc，它的含義是交調(diào)分量比載頻分量的分貝數(shù)。6等幅信號(hào)輸入功率放大器時(shí)，輸出信號(hào)中存在各種階次的交調(diào)分量，其中三階交調(diào)分量 （2i i+1和i+12i） 和與基波信號(hào)角頻率 （i和i+1）非常接近，不可能把它

5、從信道中濾除，因此，三階交調(diào)分量就成為干擾信號(hào)。同理，五階交調(diào)分量（3i 2i+1和 3i+12i）也是干擾信號(hào)，但它比三階交調(diào)分量要小得多，在系統(tǒng)要求不嚴(yán)時(shí)可以不考慮。三階交調(diào)系數(shù)dBc lg10lg101333iiPPPPM式中，Pi和 Pi+1是分別對(duì)應(yīng)角頻率i和i+1的基波信號(hào)輸出功率；P3是三階交調(diào)頻率（2i i+1和 2i+1i）處的三階交調(diào)功率；三階交調(diào)系數(shù)是度量微波功率放大器非線性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，不同的系統(tǒng)對(duì)它的要求是不一樣的。7(1) P1dB點(diǎn)三階交調(diào)系數(shù)M3(1dB)P1dB和M3(1dB)是度量微波功率放大器非線性的兩個(gè)不同指標(biāo)，它們之間有一定聯(lián)系。假定微波功率放大器是

6、一個(gè)無(wú)慣性非線性網(wǎng)絡(luò)，且在P1dB點(diǎn)的幅度非線性很小，在上述兩個(gè)假設(shè)條件下，兩個(gè)角頻率為1和2的等幅信號(hào)輸入時(shí)，P1dB點(diǎn)的三階交調(diào)系數(shù)近似為由于理論分析中的假設(shè)，實(shí)際測(cè)量的誤差以及微波晶體管實(shí)際非線性特性優(yōu)劣程度的不一致，在工程估算時(shí)，常取M3(1dB)為20dBc。這里還得注意，上式僅適用雙信號(hào)等幅情況，如果三信號(hào)等幅輸入時(shí)，上式就不適用了。3 1dB23.75dBcM 8(2) 任意輸入功率的三階交調(diào)系數(shù)M3圖7-1是雙頻等幅信號(hào)輸入時(shí)基波信號(hào)輸出功率和三階交調(diào)功率對(duì)應(yīng)基波信號(hào)輸入功率的變化特性。由圖看出，基波信號(hào)輸出功率與輸入功率是1:1（dB數(shù)）變化關(guān)系，即輸入功率增加1dB時(shí)，輸出

7、信號(hào)也增加1dB。三階交調(diào)產(chǎn)物與基波信號(hào)輸入功率是3:1（dB）變化關(guān)系，即基波信號(hào)輸入功率增加1dB，使三階交調(diào)系數(shù)M3惡化2dB。根據(jù)上述變化特性，任意輸入功率Pin時(shí)的三階交調(diào)系數(shù)M3可由下式估算式中 Pin基波信號(hào)（1或2）輸入功率； Pin(1dB)基波信號(hào)1dB增益壓縮點(diǎn)輸入功率。注意上式中各變量都是以dB為運(yùn)算單位。圖7-1中基波信號(hào)輸出功率特性延長(zhǎng)線與三階交調(diào)特性延長(zhǎng)線的交點(diǎn)稱為三階交調(diào)交截點(diǎn)。313 12inindBdBMPPMdBc9(3) 三階交調(diào)交截點(diǎn)圖7-1中基波信號(hào)輸出功率特性延長(zhǎng)線與三階交調(diào)特性延長(zhǎng)線的交點(diǎn)稱為三階交調(diào)交截點(diǎn)，用符號(hào)IP3表示，對(duì)應(yīng)的輸出功率是P1

8、，它也反映了微波功率放大器的非線性，當(dāng)輸出功率一定時(shí)，三階交調(diào)交截點(diǎn)輸出功率P1越大，微波功率放大器的線性就越好。由P1也可以估計(jì)三階交調(diào)系數(shù)式中，Pout是基波信號(hào)輸出功率。所有變量都是以dB為運(yùn)算單位，它只適用信號(hào)功率較小的情況。三階交調(diào)交截點(diǎn)比1dB壓縮點(diǎn)大10dB，它是放大器在A類(lèi)工作時(shí)的一個(gè)假想點(diǎn)。312dBcoutMPP10(4) 不等信號(hào)的三階交調(diào)系數(shù) M3NE不等信號(hào)的三階交調(diào)系數(shù)可以從等信號(hào)的三階交調(diào)系數(shù)得到，兩者有如下關(guān)系dBAAMMnpAAAApnpn233 （dBc）式中 An和 Ap基波信號(hào)（n或p）幅度； pnAAM3兩個(gè)相等的基波輸入信號(hào)經(jīng)功率放大器后產(chǎn)生的三階交

9、調(diào)系數(shù)，即前面各公式中用符號(hào) M3表示的交調(diào)系數(shù)； pnAAM3兩個(gè)不等的基波輸入信號(hào)經(jīng)功率放大器后產(chǎn)生的三階交調(diào)系數(shù)，即前面各公式中用符號(hào) M3NE表示的交調(diào)系數(shù)；第二項(xiàng)小括號(hào)內(nèi)的 Ap/An是取功率比值的 dB 數(shù)。上式可改寫(xiě)為dBAAMMnpNE233 （dBc）11(1) 二階交調(diào)系數(shù)兩個(gè)角頻率為1和2的等幅基波信號(hào)同時(shí)輸入微波功率放大器時(shí)，非線性引起的二階交調(diào)（21）失真比二次諧波（21和22）失真嚴(yán)重，大了6dB，它也比三階交調(diào)失真嚴(yán)重。由于二介交調(diào)是二階非線性引起的失真，從電路結(jié)構(gòu)的角度分析，可以用平衡電路減小這種失真。此外，在窄帶系統(tǒng)中，二階交調(diào)分量偏離基波信號(hào)頻率較遠(yuǎn)，可以采

10、用濾波技術(shù)減小它對(duì)系統(tǒng)的影響，故設(shè)計(jì)窄帶功率放大器時(shí)并不考慮這一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。而在多信號(hào)寬帶傳輸系統(tǒng)（如電纜電視系統(tǒng)）中，二階交調(diào)產(chǎn)物是落在信號(hào)通道內(nèi)，此時(shí)，無(wú)法用濾波器去減小它對(duì)系統(tǒng)的影響，因此，設(shè)計(jì)寬帶功放時(shí)必須考察這一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。二階交調(diào)系數(shù)式中 P2頻率為21的二階交調(diào)功率； P1和P2對(duì)應(yīng)角頻率1和2的信號(hào)輸出功率。因此，在多信號(hào)寬帶傳輸系統(tǒng)中，二階交調(diào)系數(shù)也是功率放大器非線性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它的大小取決于電路結(jié)構(gòu)及其工作狀況。2221210lg10lg dBcPPMPP122 、二階交調(diào)交截點(diǎn)同三階交調(diào)交截點(diǎn)一樣，二階交調(diào)交截點(diǎn)是二階交調(diào)特性延長(zhǎng)線與基波信號(hào)輸出功率特性延長(zhǎng)線的交點(diǎn)。

11、用符號(hào)IP2表示。二階交調(diào)產(chǎn)物與基波信號(hào)輸入功率呈2:1(dB)變化關(guān)系，即基波信號(hào)輸入功率增加1dB，使二階交調(diào)系數(shù)惡化1dB。圖7-2 二階交調(diào)交截點(diǎn)13具有三個(gè)不同角頻率1、2和3的信號(hào)同時(shí)輸入到功率放大器時(shí)，其中1和2非常接近，而3離開(kāi)1和2比較遠(yuǎn)，這時(shí)在功率放大器輸出端出現(xiàn)3(21)失真分量。通常把這種失真歸結(jié)為三階失真這一類(lèi)。為了把它與三階失真 221和 212區(qū)分開(kāi)，也把這種失真稱為三拍失真。（1）多信號(hào)情況如果有 m 個(gè)輸入信號(hào)存在，功率放大器輸出將含有!3! 3!434mmm個(gè)三拍頻率，即存在34m個(gè)三拍失真頻率。三拍失真的大小可以用三拍失真系數(shù)表示，即nqpnqpnPPMl

12、g10 （dBc）式中qpnP是功率放大器在三拍失真角頻率n + pq處的輸出功率；nP是功率放大器在基波角頻率n處的輸出功率。14（2）等信號(hào)三拍失真系數(shù)如果輸入到功率放大器的基波信號(hào)角頻率也是n和p，幅度正好相等，且等于三信號(hào)中（n、p和q）每個(gè)信號(hào)輸入到功率放大器的信號(hào)幅度，則三拍失真系數(shù)比三階交調(diào)系數(shù)惡化了 6dB，即dB63pnqpnAAMM （dBc）式中，pnAAM3是等信號(hào)三階交調(diào)系數(shù)。從上式可以看出，三拍信號(hào)功率增加1dB 時(shí)，三拍失真系數(shù)將惡化 2dB。（3）不等信號(hào)三拍失真系數(shù)如果輸入到功率放大器的基波角頻率是n和p，幅度不相等，即 AnAp。三信號(hào)中 （n、 p和q）

13、輸入到功率放大器的信號(hào)幅度滿足條件 AnAp和 ApAq，則不等信號(hào)三拍失真系數(shù)為dB2dB63npNEAAMMqpn （dBc）式中，第三項(xiàng)小括號(hào)內(nèi)的 Ap/An是取功率的 dB 數(shù)；M3NE表示不等信號(hào)的三階交調(diào)系數(shù)。15在微波功率放大器中，由于非線性作用，一個(gè)信號(hào)的調(diào)制被轉(zhuǎn)換到另一個(gè)信號(hào)上的現(xiàn)象被稱為交擾調(diào)制。當(dāng)輸入信號(hào)是 ttVVVtVtVpmpmpnnincoscos1cos（7-15）上式中包含一個(gè)無(wú)調(diào)制載頻n和一個(gè)幅度調(diào)制信號(hào)p，調(diào)制頻率是m，展開(kāi)上式，有 tVtVtVtVtVppmpmmpmnnincoscos2cos2cos（7-16）由上式看出，一個(gè)調(diào)制信號(hào)和一個(gè)非調(diào)制信號(hào)

14、可以被看成四個(gè)獨(dú)立的信號(hào)，寫(xiě)成 tVtVtVtVtVrrqqppnnincoscoscoscos（7-17）其中，mrqVVV21；mpq，mpr。在輸出信號(hào)中，交擾調(diào)制失真出現(xiàn)在n+m和nm處，由于rpnpqnmn（7-18）rpnpqnmn（7-19）這就可以把交擾調(diào)制邊帶看成是四個(gè)信號(hào)（n、p、q和r）引起的三拍失真分量16rpnpqnmn（7-18）rpnpqnmn（7-19）從式（7-18）和（7-19）可以看出，它包含下述兩種情況。1一個(gè)干擾信號(hào)的情況交擾調(diào)制是系統(tǒng)不需要的信號(hào)，因此把調(diào)幅信號(hào)看成是干擾信號(hào)。下面先討論存在一個(gè)干擾信號(hào)的情況。交擾調(diào)制的大小可以用交擾調(diào)制系數(shù) Mc表

15、示，Mc可以用兩個(gè)非調(diào)制信號(hào)，即幅度為 Ap和 An的三階交調(diào)系數(shù)來(lái)計(jì)算npAAcAAdBMdBMMpnpqnlg2063（dBc）（7-20）式中pnAAM3兩個(gè)等幅基波信號(hào)（n和p）輸入到功率放大器后產(chǎn)生的三階交調(diào)系數(shù)；M調(diào)幅信號(hào)的調(diào)制度，以 dB 計(jì)算；Ap和 An調(diào)幅信號(hào)和非調(diào)幅信號(hào)的幅度，Ap = Vp，An = Vn。如果調(diào)幅信號(hào)的幅度等于非調(diào)幅信號(hào)的幅度 Ap = An，則交擾調(diào)制系數(shù))(63dBMdBMMpnpnpqnAAAAc（7-21）172m 個(gè)干擾信號(hào)的情況如果交擾調(diào)制失真是由 m 個(gè)干擾信號(hào)造成的，它們具有相同的幅度，且同步調(diào)幅，則 m 個(gè)干擾信號(hào)造成的交擾調(diào)制失真系

16、數(shù)是mMMpnpAAcmAclg20, （dBc）式中pnAAcM就是式（7-21）中的pnpqnAAcM；m 是干擾信號(hào)的數(shù)目。181調(diào)幅調(diào)相效應(yīng)分析大信號(hào)通過(guò)微波功率放大器時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生相移，相移大小隨輸入信號(hào)功率的大小而變化，這種現(xiàn)象稱之為調(diào)幅調(diào)相效應(yīng)。微波功率放大器可以看成是一個(gè)三階非線性系統(tǒng)，它的載波輸出信號(hào)同時(shí)含有一階及三階成分 （7-23）式中s基波信號(hào)的角頻率；k1和k3非線性系統(tǒng)的一階和三階系數(shù)；A基波輸入信號(hào)幅度。如果電路中包含容性非線性元件，則一階和三階系數(shù)之間就有相位差（既不是0，也不是180）。由式（7-23）看出，載波輸出信號(hào)的相位與輸入信號(hào)幅度有關(guān)。顯然，調(diào)幅

17、調(diào)相效應(yīng)是增益壓縮直接表現(xiàn)的結(jié)果，增益壓縮得越厲害，調(diào)幅調(diào)相效應(yīng)就越強(qiáng)，電路進(jìn)入飽和狀態(tài)后，調(diào)幅調(diào)相效應(yīng)將非常嚴(yán)重。在通信系統(tǒng)及圖象傳輸系統(tǒng)中，調(diào)幅調(diào)相效應(yīng)的存在，會(huì)使群時(shí)延失真，微分相位、微分增益和交調(diào)失真變壞。因此希望盡可能減小功率放大嚦嚦的調(diào)幅調(diào)相效應(yīng)。3133cos4sk Ak At192、調(diào)幅調(diào)相轉(zhuǎn)換系數(shù) Kp為了衡量相位失真的大小，引入調(diào)幅調(diào)相轉(zhuǎn)換系數(shù)dBPddkinp/lg10180式中 Pin輸入信號(hào)功率（mW） ；對(duì)應(yīng)輸入功率 Pin的輸出信號(hào)的相移。3雜波分析輸入信號(hào)是調(diào)幅信號(hào)時(shí)，由于功率放大器存在調(diào)幅調(diào)相效應(yīng)，輸出的是一個(gè)調(diào)相信號(hào)。輸出信號(hào)含有許多旁頻，乃是系統(tǒng)的雜波，這

18、些雜波功率總和為 P雜，基波功率 Pc，則調(diào)相信號(hào)的 P雜/Pc值可按下式計(jì)算dBc dB2 .47lg20調(diào)相雜cPP式中，是輸出信號(hào)的調(diào)相范圍?？梢钥闯?，調(diào)幅調(diào)相效應(yīng)使系統(tǒng)存在雜波干擾，降低了系統(tǒng)中微波功率放大器的效率。204、交調(diào)噪聲在單載波工作時(shí)，由于采用恒定包絡(luò)的調(diào)制方式（如FM制），調(diào)幅調(diào)相效應(yīng)的影響可以忽略不計(jì)。但在多載波工作時(shí)，由于每個(gè)載波頻率不等，合成后一定會(huì)出現(xiàn)包絡(luò)起伏，這種起伏經(jīng)過(guò)調(diào)幅調(diào)相轉(zhuǎn)換成非線性效應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生三階交調(diào)失真及三拍失真。該分量與基波的比是（2f1 f2）項(xiàng)：（f1 + f2 f3）項(xiàng)：式中n載波數(shù)；Kp調(diào)幅調(diào)相轉(zhuǎn)換系數(shù)。隨著載波數(shù)n的增加，所有三階交調(diào)失

19、真及三拍失真都將減小。0.15162pKn0.1516pKn21當(dāng)信號(hào)增加到一定程度，功率放大器因工作在非線性區(qū)而產(chǎn)生一系列諧波。對(duì)于窄帶功率放大器，這些諧波都不在通帶內(nèi)，用濾波器很容易濾掉這些諧波。通?？梢允怪C波降到 60dBc 以下（相對(duì)基波信號(hào)） ，因此這些諧波不會(huì)使系統(tǒng)性能變壞。對(duì)于寬帶功率放大器，這些諧波正好在信號(hào)通帶內(nèi)，用濾波器就不能濾掉這些諧波。當(dāng)然，只要直流工答點(diǎn)選得合適，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選得合理，也可以適當(dāng)減小諧波成分，但減小是有限的。諧波失真大小由下式計(jì)算snnPPHDlg10 （dBc）式中 HDnn 次諧波失真；Ps基波信號(hào)輸出功率；Pnn 次諧波輸出功率?；谏鲜龇治觯?/p>

20、帶功率放大器的諧波失真指標(biāo)可以好到60dBc；而寬帶功率放大器的諧波失真指標(biāo)都很差，大約在20dBc 左右，有的可能還要差。通常在設(shè)計(jì)小功率放大器（幾十毫瓦至幾百毫瓦）時(shí)，可以不考慮諧波失真這項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，但是在大功率放大器中必須考慮，并應(yīng)盡量避免它對(duì)其他電子系統(tǒng)的干擾。在接收和發(fā)射單元相互靠近的小型化電子系統(tǒng)中，諧波失真也必須考慮。22大功率管的輸入阻抗和輸出阻抗都很低，BJT的輸入阻抗實(shí)部只有幾個(gè)歐姆，與50系統(tǒng)失配得比較厲害。而MESFET的輸入阻抗較高，與50系統(tǒng)失配得也很大，失配嚴(yán)重時(shí)，會(huì)損壞功率管。輸入、輸出駐波比變壞還會(huì)使系統(tǒng)的增益起伏和群遲延變壞，因此功率放大器的輸入、輸出駐波比

21、應(yīng)該滿足一定要求。在大容量數(shù)字通信系統(tǒng)中，功率放大器的輸入、輸出駐波比取1.2:1，而在一般系統(tǒng)中，功率放大器的輸入、輸出駐波比可以取到2:1。它也是設(shè)計(jì)微波功率放大器時(shí)必須考慮的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。231增益平坦度增益平坦度是一項(xiàng)普通指標(biāo)，它說(shuō)明功率放大器增益在一定頻率范圍內(nèi)的變化大小。增益平坦度應(yīng)該是在50負(fù)載情況下定義，而組成實(shí)際系統(tǒng)的部件存在不同程度的反射。因此，實(shí)際系統(tǒng)并不是理想50系統(tǒng)，故實(shí)際系統(tǒng)的增益平坦度比各個(gè)部件測(cè)出的增益平坦度要大。例如在平衡放大器中，信號(hào)端和負(fù)載端接得不是理想50時(shí)，增益平坦度會(huì)變壞，最壞情況是其中式中G總增益起伏量；GS(或L)信號(hào)端（或負(fù)載端）增益起伏量；(

22、VSWR)A放大器駐波比；(VSWR)S(或L)信源端（或負(fù)載端）駐波比。在一些要求十分苛刻的系統(tǒng)中，必須采用CAD技術(shù)，精確計(jì)算功率放大器帶內(nèi)的增益起伏，計(jì)算值應(yīng)盡可能小，其最小值取決計(jì)算機(jī)運(yùn)算精度。同時(shí)，盡可能減小輸入、輸出駐波比對(duì)增益起伏的影響。SLGGG 22110lg 110lg 11ASLASLSLASLASLVSWRVSWRVSWRVSWRGVSWRVSWRVSWRVSWR 或或或或或242、增益斜率增益斜率并不是對(duì)所有系統(tǒng)都提出要求，而僅僅是數(shù)字通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。它是指功率放大器在指定的輸出功率情況下，在一路信號(hào)通帶（或一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器通帶）內(nèi)增益對(duì)頻率的變化率，單位是每兆赫

23、帶寬內(nèi)的增益變化量。例如用于衛(wèi)星地面站的5W功率放大器，帶寬500MHz，增益斜率0.02dB/MHz（在任意40MHz內(nèi)、輸出功率5W時(shí)）。25仔細(xì)地設(shè)計(jì)和充分地試驗(yàn)就可以把寄生雜波減到最小，但是要把所有可能引起寄生雜波的條件合在一起去同時(shí)檢驗(yàn)是不可能的。例如，濾波器在工作頻帶內(nèi)匹配性能較好，同時(shí)在帶外恰好是嚴(yán)重失配，這種情況就比較復(fù)雜，也不好模擬。如果懷疑系統(tǒng)存在寄生雜波，最好先檢查功率放大器。圖7-3 諧波及寄生雜波1寄生雜波分析寄生雜波是系統(tǒng)中不需要的那些信號(hào)，是功率放大器放大過(guò)程中引起的一種信號(hào)失真，它與輸入信號(hào)不是諧波關(guān)系，如圖7-3所示。這些寄生雜波絕大部分是在高驅(qū)動(dòng)電平或輸入與

24、輸出嚴(yán)重失配時(shí)出現(xiàn)的。262、無(wú)寄生雜波動(dòng)態(tài)范圍無(wú)寄生雜波動(dòng)態(tài)范圍是允許信號(hào)的輸入功率范圍，在這個(gè)輸入功率范圍內(nèi)，系統(tǒng)中將不存在寄生雜波。無(wú)寄生雜波動(dòng)態(tài)范圍的最大功率主要取決于系統(tǒng)的增益、三階交截點(diǎn)和噪聲電平；而最小功率主要取決于噪聲系數(shù)和噪聲帶寬。這個(gè)范圍可以確保從放大器輸出的信號(hào)不會(huì)有任何失真。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)較好的無(wú)寄生雜波動(dòng)態(tài)范圍，要求功率放大器噪聲盡可能小，三階交截點(diǎn)盡可能高。然而低噪聲器件的輸出功率較低，而高功率器件的噪聲系數(shù)較大，需要折衷考慮。3技術(shù)指標(biāo)寄生雜波是以載波參考電平，以dBc為單位。一般要求在60dBc以下。27大功率放大器的微波輻射將直接干擾系統(tǒng)的正常工作。產(chǎn)生微波輻射

25、的主要原因是功率放大器的屏蔽不好，也可能是連接用的電纜外導(dǎo)體屏蔽性能不好或者接頭安裝不好等原因而引起的泄漏。因此在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)要注意接頭的安裝，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要有良好的屏蔽性能，電纜應(yīng)選用屏蔽性能較好的產(chǎn)品。28微波晶體管功率放大器工作狀態(tài)與低頻晶體管功率放大器一樣，有甲類(lèi)、甲乙類(lèi)、乙類(lèi)及丙類(lèi)四種工作狀態(tài)，分類(lèi)的方法也相同。不同的工作狀態(tài)適用不同的需要。匹配電路元件可以是集中參數(shù)、半集中參數(shù)及分布參數(shù)。291雙極型晶體管功率放大器BJT功率放大器按BJT不同的直流工作點(diǎn)劃分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)和丙類(lèi)四種工作狀態(tài)，圖7-10是BJT的伏安特性曲線。圖中1號(hào)區(qū)域是發(fā)生雪崩擊穿的區(qū)域；2號(hào)區(qū)域的電流較

26、小，使信號(hào)截止；3號(hào)區(qū)域的電壓較低，使信號(hào)飽和；4號(hào)區(qū)域的工作電流已超出極限工作電流；5號(hào)區(qū)域的功耗已超出額定功耗，中間部分是線性工作區(qū)。圖7-11是BJT功率放大器四種工作狀態(tài)的偏置點(diǎn)。圖7-10 BJT的伏安特性 圖7-11 BJT功放四種工作狀態(tài)的偏置點(diǎn)30（1）甲類(lèi)工作狀態(tài)如圖7-12所示，功率放大器在信號(hào)周期內(nèi)始終存在工作電流，即導(dǎo)通角為360，此時(shí)，功率放大器處于甲類(lèi)工作狀態(tài)。甲類(lèi)功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是線性好、失真小，較好的噪聲系數(shù)，在1dB壓縮點(diǎn)以下具有幾乎不失真的脈沖響應(yīng)，在不同輸出電平時(shí)的通帶起伏小和在不同輸出電平時(shí)的相位和增益不變。它的缺點(diǎn)是效率不高、較大的熱損耗和尺寸大。甲類(lèi)

27、功率放大器適用于行波管替代器，掃頻儀、綜合器、信號(hào)放大級(jí)、電視信號(hào)放大器、短脈沖放大器和干擾發(fā)射機(jī)等。31（2）乙類(lèi)工作狀態(tài)功率放大器在信號(hào)周期內(nèi)只有半個(gè)周期存在工作電流，即導(dǎo)通角為180，乙類(lèi)功率放大器在靜態(tài)時(shí)，BJT幾乎沒(méi)有靜態(tài)電流，即管耗接近零。為了減小失真，通常采用互補(bǔ)對(duì)稱電路，它的效率在70%以上，每個(gè)功率管的最大功耗是電路最大輸出功率的20%，通常用此關(guān)系作為乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器選擇功率管的依據(jù)。上述關(guān)系是在理想情況下計(jì)算得到的，因此在實(shí)際電路中被選管子的功耗應(yīng)大于20%。由于乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器工作在零偏置狀態(tài)。而B(niǎo)JT導(dǎo)通要求一定的基極電流iB，因此，當(dāng)輸入信號(hào)低于某一值時(shí)

28、，管子不通導(dǎo)，即在信號(hào)周期內(nèi)出現(xiàn)一段不工作區(qū)，使信號(hào)失真，這種現(xiàn)象稱為交越失真，如圖7-14所示。為了減小和克服交越失真，通常使晶體管具有較小的正偏置，使集電極靜態(tài)電流是最大設(shè)計(jì)值的1%10%。此時(shí)，功率放大器處于甲乙類(lèi)工作狀態(tài)，如圖7-15所示，導(dǎo)通角略大于180。圖7-14 乙類(lèi)功放的交越失真3215dB到30dB，交調(diào)失真特性也不夠好，在低射頻輸入時(shí)通帶的起伏較大。甲乙類(lèi)功率放大器適用于電子干擾發(fā)射機(jī)、功率放大器、發(fā)射機(jī)、高功率行波管替代器和電視放大等。(3)甲乙類(lèi)工作狀態(tài)甲乙類(lèi)功放的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率功率較大，可以高達(dá)幾千瓦，有較高的效率，尺寸緊湊，線性也比較好，失真小，工作溫度較低，因而

29、可靠性也高，用得比較廣泛。但它的不足之處是動(dòng)態(tài)范圍有限，一般從33丙類(lèi)功放的優(yōu)點(diǎn)是效率非常高，尺寸緊湊，輸出功率高，可達(dá)幾千瓦，工作溫度比乙類(lèi)還要低，可靠性較高，在要求失真不嚴(yán)的系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。它的最大缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍非常窄，只能在0dB到6dB范圍內(nèi)變化，如果信號(hào)減小到額定電平以下，丙類(lèi)功放將呈現(xiàn)急劇變化的趨勢(shì)。此外，丙類(lèi)功放不能用于調(diào)幅信號(hào)的放大。丙類(lèi)功率放大器適用于對(duì)流層散射通信系統(tǒng)、電子干擾機(jī)、行波管替代器、戰(zhàn)術(shù)空軍導(dǎo)航系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)。（3）丙類(lèi)工作狀態(tài)如圖7-16所示，功率放大器在信號(hào)周期內(nèi)存在工作電流的時(shí)間不到半個(gè)周期，即導(dǎo)通角小于180。此時(shí)，功率放大器處于丙類(lèi)工作狀態(tài)。34成

30、功地設(shè)計(jì)固態(tài)微波功率放大器的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。在任何一個(gè)微波功率放大器設(shè)計(jì)中，錯(cuò)誤的阻抗匹配將使電路不穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)使電路效率降低和非線性失真加大。在設(shè)計(jì)功率放大器匹配電路時(shí)，匹配電路應(yīng)同時(shí)滿足匹配、諧波衰減、帶寬、小駐波、線性及實(shí)際尺寸等多項(xiàng)要求。當(dāng)有源器件一旦確定后，可以被選用的匹配電路是相當(dāng)多的，企圖把可能采用的匹配電路列成完整的設(shè)計(jì)表格幾乎是不現(xiàn)實(shí)的。設(shè)計(jì)單級(jí)功率放大器主要是設(shè)計(jì)輸入匹配電路和輸出匹配電路；設(shè)計(jì)兩級(jí)功率放大器除了要設(shè)計(jì)輸入匹配電路和輸出匹配電路外，還需要設(shè)計(jì)級(jí)間匹配電路。35（1）輸入匹配電路輸入匹配電路和輸出匹配電路主要是對(duì)一端是50，另一端是實(shí)數(shù)部分較小的復(fù)數(shù)阻

31、抗進(jìn)行匹配。當(dāng)大功率管的輸入阻抗是容性、低電阻值時(shí)，通?？梢圆捎孟率鑫宸N輸入匹配電路圖7-17 輸入匹配電路（a）電路A；（b）電路B；（c）電路C；（d）電路D；（e）電路E。當(dāng)大功率管的等效輸入阻抗呈感性，它的實(shí)部比較小時(shí)，可以采用并聯(lián)電容的輸入匹配電路，把等效輸入阻抗中的電感分量諧振掉，這種輸入匹配電路應(yīng)該是低通匹配網(wǎng)絡(luò)，能匹配較低的阻抗。通常，輸入匹配電路的諧振電容可以用微帶短截線實(shí)現(xiàn)。當(dāng)放大器的工作頻率及功率管選定后，諧振實(shí)阻抗值可能小于50，也可能是很大的數(shù)值。當(dāng)諧振實(shí)阻抗低于50時(shí)，低通匹配電路很容易使它與50阻抗匹配。36（1）輸入匹配電路如果采用微帶匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，諧振實(shí)阻抗不能

32、太高，原因是用低通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)把高阻抗降到50時(shí)要用到串聯(lián)高阻抗傳輸線。該傳輸線的特性阻抗至少高于諧振實(shí)阻抗，達(dá)一倍以上，這就使串聯(lián)高阻抗傳輸線非常窄，加大了匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗，加大了工藝難度，有時(shí)甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在尺寸允許時(shí)，可以采用四分之一波長(zhǎng)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。輸出匹配電路確定后，功率放大器的輸出功率及效率也基本確定了，但是它的增益平坦度并不一定滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。這時(shí)，需要合理設(shè)計(jì)輸入匹配電路以便使增益平坦度滿足要求。設(shè)計(jì)輸入匹配電路時(shí)，還應(yīng)考慮輸入駐波比不能太大，在設(shè)計(jì)頻帶要求較寬時(shí)，這個(gè)問(wèn)題顯得特別突出，頻帶越寬設(shè)計(jì)難度越大。為了改善輸入駐波比性能，可以采用鐵氧體隔離器，也可以采用平衡放大器技術(shù)。

33、37（2）輸出匹配電路輸出匹配電路主要應(yīng)具備損耗低，諧波抑制度高，改善駐波比，提高輸出功率及改善非線性等功能。諧波抑制。功率放大器的非線性特性使輸出不僅包含基波信號(hào)，同時(shí)還存在各項(xiàng)諧波，諧波幅度大小與基波信號(hào)大小呈一定的比例關(guān)系。在大功率放大器中，由于基波功率比較大，因此諧波功率也比較大，特別是2次諧波和3次諧波，它們對(duì)系統(tǒng)的影響是不可忽略的。為了減小諧波功率輸出，通常輸出匹配電路采用低通結(jié)構(gòu)或帶通結(jié)構(gòu)。在采用帶通結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)消除寄生通帶的影響。當(dāng)要求諧波輸出非常小，單靠上述匹配電路是不能滿足對(duì)諧波的抑制，還需要加帶阻濾波網(wǎng)絡(luò)。改善駐波比。功率放大器匹配電路設(shè)計(jì)不完善會(huì)使功率放大器輸出駐波比較大

34、，因此會(huì)加大帶內(nèi)增益起伏，產(chǎn)生寄生信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩和燒毀功率管。因此，在設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí)必須使駐波比較小。38（2）輸出匹配電路低損耗。在大功率放大器中，由于輸出功率較大，輸出電路有一點(diǎn)損耗就會(huì)有較大功率損失，并且，在輸出電路板上轉(zhuǎn)成熱耗，從而使電路的可靠性變差。例如，連續(xù)波輸出功率為200W，輸出匹配電路損耗為1dB，則耗散在輸出匹配電路上的功率高達(dá)40W以上。輸出功率越大，輸出匹配電路上所耗散的功率越大。因此，在設(shè)計(jì)大功率放大器時(shí)，應(yīng)該盡可能減小輸出匹配電路的損耗。線性。由非線性分析知道，功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)是與負(fù)載有關(guān)的，因此在設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí)，必須考慮線性指標(biāo)的要求。

35、負(fù)載選擇應(yīng)確保線性最好。效率。功率放大器的效率除了取決于晶體管的工作狀態(tài)、電路結(jié)構(gòu)、負(fù)載等因素外，還與輸出匹配電路密切相關(guān)。要求輸出匹配電路保證基波功率增益最大，諧波功率增益最小，損耗盡可能小和良好的散熱裝置。39級(jí)間匹配電路除了與輸入匹配電路一起實(shí)現(xiàn)平坦增益特性外，還應(yīng)具備級(jí)間隔直流功能。有關(guān)隔直流電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容可以參考第六講低噪聲放大器有關(guān)內(nèi)容。兩級(jí)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)不僅取決于末級(jí)功率放大器，同時(shí)還取決于末前級(jí)功率放大器。40在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)增益平坦、電路穩(wěn)定及輸出功率等指標(biāo)，功率放大器不可能完全匹配。為了改善功率放大器的匹配性能，通常采用平衡功率放大器。平衡功率放大器有

36、許多優(yōu)點(diǎn)：（1）在設(shè)計(jì)單端功率放大器時(shí)，為了滿足平坦增益及穩(wěn)定性要求，失配往往很厲害；而在設(shè)計(jì)平衡功率放大器時(shí)，只要保證配對(duì)的功率晶體管性能一致，則合成網(wǎng)絡(luò)可以改善由于單端功率放大器引起的失配。因此，平衡功率放大器在實(shí)現(xiàn)平坦功率增益和穩(wěn)定性的同時(shí)，又有較好的匹配性能，通?？蓪?shí)現(xiàn)1個(gè)倍頻程帶寬，做得好時(shí)帶寬接近2個(gè)倍頻程。（2）級(jí)間很易隔離，因此級(jí)間的調(diào)整工作量比較小。（3）由于匹配性能好，反射小，因此電路工作穩(wěn)定。（4）當(dāng)電路中某一個(gè)晶體管損壞時(shí)，僅僅使功率放大器總增益下降6dB，對(duì)有些系統(tǒng)，這種增益下跌還不會(huì)使系統(tǒng)受到致命打擊。（5）在線性功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用平衡功率放大器來(lái)改善線性指

37、標(biāo)。（6）在實(shí)現(xiàn)多級(jí)功率放大器時(shí)，平衡功率放大器的調(diào)整比不平衡功率放大器要少得多。圖7-18 平衡功率放大器41圖7-18是平衡功率放大器，它由3dB90移相分配、合成網(wǎng)絡(luò)可以采用交叉指定向耦合器結(jié)構(gòu)，也可以采用Wilkinson功率分配、合成網(wǎng)絡(luò)并附加一段90移相傳輸線。3dB90移相網(wǎng)絡(luò)起到了改善功率放大器（含移相器）的輸入端口和輸出端口的匹配情況。平衡功率放大器的性能優(yōu)劣直接取決于兩個(gè)放大器的一致程度，放大器的駐波比，分配、合成網(wǎng)絡(luò)3dB90移相的準(zhǔn)確程度，損耗及散熱。圖7-18 平衡功率放大器421管芯合成管芯合成是把多個(gè)管芯聚集在長(zhǎng)度比波長(zhǎng)小的區(qū)域上，然后加上輸入匹配電路和輸出匹配電

38、路，就可以獲得較大的輸出功率。2電路合成電路合成技術(shù)是通過(guò)功率合成器把兩個(gè)或多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管功率放大器組合在一起，給出較大的輸出功率。它的優(yōu)點(diǎn)是各功率單元間的相互影響較小，調(diào)整方便，匹配性能良好；缺點(diǎn)是電路尺寸較大。圖7-19 n路功率合成放大器在要求大功率輸出時(shí)，往往采用功率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率輸出。功率合成有管芯合成、空間合成和電路合成三種。這里不討論空間合成技術(shù)。43（1）二路合成功率合成網(wǎng)絡(luò)（或分配網(wǎng)絡(luò)）中的常用電路元件是三口合成器（或分配器），亦是三口互易網(wǎng)絡(luò)。它把兩個(gè)隔離端口的功率進(jìn)行合成，或把功率分配到兩個(gè)隔離端口，常用的有微帶線交叉指耦合器和Wilkinson分路器，如圖7-20所示

39、。向微帶線交叉指耦合器的1號(hào)端口輸入信號(hào)時(shí)，功率只向端口3和端口4傳輸，而不向端口2傳輸；1、2端口互相隔離，3、4端口也互相隔離。向Wilkinson分路器的1號(hào)端口輸入信號(hào)時(shí)，功率向端口2圖7-20 二路合成網(wǎng)絡(luò)（a）微帶線交叉指耦合器；（b）Wilkinson分路器和端口3傳輸，端口2和端口3互相隔離，隔離性能的好壞和隔離電阻的阻值及安裝的對(duì)稱性密切相關(guān)。當(dāng)端口阻抗Zc取50時(shí)，則隔離電阻R為100。由于微帶線交叉指耦合器的尺寸小，帶寬較寬，可達(dá)到倍頻程以上，因此在功率合成技術(shù)中常把它作為二路合成元件。（2）n路合成器可以采用二路合成器組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，也可以用n路合成器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。44實(shí)際系

40、統(tǒng)中的功率放大器都是由多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)而成。設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)功率放大器除了需要設(shè)計(jì)單級(jí)功率放大器外，還要考慮各級(jí)器件的選擇及各級(jí)技術(shù)指標(biāo)的分配。45圖7-26是單級(jí)功率放大器，它由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、功率器件和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)三部分組成。兩個(gè)端口分別接信號(hào)源與負(fù)載，信號(hào)源內(nèi)阻與負(fù)載都是50；ZS是是由晶體管向輸入匹配網(wǎng)絡(luò)看的阻抗，稱為放大器的源阻抗，ZL是由晶體管向輸出匹配網(wǎng)絡(luò)看的阻抗，稱為放大器的負(fù)載阻抗。在功率放大器設(shè)計(jì)中，大功率放大器和線性功率放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是不同的，所要求的ZS和ZL也是不同的，可以通過(guò)設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)得到所要求的ZS和ZL。46圖7-27是小功率管FSX-51小信號(hào)設(shè)計(jì)

41、與大信號(hào)設(shè)計(jì)的功率放大器P1dB輸出功率頻率響應(yīng)實(shí)測(cè)值。大信號(hào)S參數(shù)是由大信號(hào)等效電路模型得到的。可以看出，用大信號(hào)S參數(shù)設(shè)計(jì)的功率放大器可以得到最大P1dB輸出功率，且頻率響應(yīng)起伏也?。欢眯⌒盘?hào)S參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，并不能得到最大P1dB，且P1dB的頻率響應(yīng)起伏也大。（1）最大P1dB設(shè)計(jì)在甲類(lèi)和準(zhǔn)甲類(lèi)功率放大器設(shè)計(jì)中，關(guān)心的是1dB增益壓縮點(diǎn)功率P1dB。通常采用測(cè)量方法或CAD技術(shù)得到P1dB點(diǎn)的大信號(hào)S參數(shù)或功率負(fù)載特性，然后用它設(shè)計(jì)功率放大器，得到最大P1dB功率輸出。47（2）線性功率放大器設(shè)計(jì)功率晶體管的輸出功率和三階交調(diào)系數(shù)是與負(fù)載有關(guān)的。在設(shè)計(jì)最大P1dB功率放大器時(shí)，單靠一組等

42、功率圓就可以了，而在設(shè)計(jì)線性功率放大器時(shí)，單靠一組等三階交調(diào)系數(shù)曲線是不夠的。從圖7-28中可以看出，等三階交調(diào)系數(shù)曲線與等功率曲線相互交叉，某一個(gè)三階交調(diào)系數(shù)可以對(duì)應(yīng)各種輸出功率。這兩曲線相切的切點(diǎn)是最圖7-28 等輸出功率與等三階交調(diào)系數(shù)特性佳負(fù)載點(diǎn)，該點(diǎn)給出的功率和三階交調(diào)系數(shù)最佳，把所有最佳負(fù)載點(diǎn)聯(lián)接在一起，構(gòu)成一條最佳負(fù)載線，每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)一條最佳負(fù)載線。在設(shè)計(jì)線性功率放大器時(shí)，首先要測(cè)出或計(jì)算出功率管的最佳負(fù)載線，根據(jù)給定指標(biāo)（輸出功率、頻帶和三階交調(diào)系數(shù)）找出最佳負(fù)載ZL()和最佳源阻抗ZS()，根據(jù)ZL()和ZS()設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。48（3）乙類(lèi)和丙類(lèi)功率放大器

43、設(shè)計(jì)在乙類(lèi)和丙類(lèi)功率放大器設(shè)計(jì)中，可以用大信號(hào)S參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)乙類(lèi)和丙類(lèi)功率放大器，也可以用功率負(fù)載特性來(lái)設(shè)計(jì)乙類(lèi)和丙類(lèi)功率放大器，后一種方法用得更普遍。圖7-29是工作頻率為1.21.4GHz的丙類(lèi)共基極脈沖功率放大器的電路版圖。圖中1隔直流電容，電容值是100pF，2集電極電壓對(duì)地旁路電容，電容值是0.1F，3獲取最大輸出功率位置，接120pF陶瓷片電容，4直流濾波器電容，耐壓50V，電容值是50F電解電容，5線繞電感（鐵氧體芯），6射頻輸入接頭，7射頻輸出接頭。圖7-29 丙類(lèi)功率放大器電路版圖49在設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)功率放大器時(shí)，應(yīng)考慮噪聲、效率、線性和穩(wěn)定性。（1）噪聲在設(shè)計(jì)高增益級(jí)聯(lián)功率放大器時(shí)

44、，為了減小噪聲，第一級(jí)往往選用低噪聲晶體管。末級(jí)功率放大器的偏置電源不應(yīng)有微弱寄生振蕩，紋波不能太大，否則會(huì)加大載波附近的相位噪聲。（2）效率在設(shè)計(jì)高增益級(jí)聯(lián)功率放大器時(shí)，為了提高效率，應(yīng)選用高增益晶體管，盡可能減少晶體管數(shù)量。50縱坐標(biāo)是前級(jí)非線性對(duì)下一級(jí)的三階交調(diào)M3。舉例說(shuō)明：若第一節(jié)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)為22dBc，第二級(jí)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)為20dBc，則相鄰兩級(jí)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)差值為2dB，由圖7-30曲線查得第一級(jí)功率放大器對(duì)第二級(jí)功率放大器三階交調(diào)的貢獻(xiàn)是2.12dB。這時(shí)，二級(jí)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)不是20dBc，而是退化到17.88dBc，變壞了2.12d

45、B。由此看出，合理的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能加大相鄰兩級(jí)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)差值，差值等于15dB時(shí)，一階交調(diào)僅惡化0.14dB，這個(gè)值對(duì)線性影響是不大的。圖7-30 兩級(jí)功率放大器的三階交調(diào)分析（3）線性在設(shè)計(jì)高增益級(jí)聯(lián)功率放大器時(shí)，為了保證線性指標(biāo)，即給定輸出功率所對(duì)應(yīng)的三階交調(diào)，需要合理設(shè)計(jì)末級(jí)功率放大器，同時(shí)還需要合理設(shè)計(jì)前面幾級(jí)功率放大器。根據(jù)分析，末級(jí)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)與末前級(jí)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)差得越小，則末前級(jí)非線性對(duì)級(jí)聯(lián)功放三階交調(diào)的貢獻(xiàn)越大，如圖7-30所示，橫坐標(biāo)是相鄰兩級(jí)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)差值，51（4）穩(wěn)定性在設(shè)計(jì)高增益級(jí)聯(lián)功率放大器時(shí)，由于輸入信號(hào)與輸出信號(hào)

46、幅度相差很大，輸出信號(hào)只要有一點(diǎn)泄漏到輸入端，放大器就很容易自激。為了消除自激，各級(jí)偏置電源間應(yīng)采用去耦電路，輸入、輸出接頭應(yīng)該有較好電磁屏蔽，各級(jí)功率放大器也應(yīng)有較好電磁屏蔽，從而使輸入與輸出間有較好的隔離。52以衛(wèi)星通信地面站用的行波管替代器（是一種高增益線性級(jí)功率放大器）為例，從三階交調(diào)系數(shù)指標(biāo)角度來(lái)說(shuō)明高增益線性級(jí)聯(lián)功率放大器的設(shè)計(jì)方法。行波管替代器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作頻率59256425MHz； 工作帶寬500MHz；增益56dB（額定輸出功率）； 輸出功率P1dB30dBm；三階交調(diào)在單載波輸出功率27dBm時(shí)小于等于30dBc。圖7-31 6GHz行波管替代器組成框圖及三階交

47、調(diào)系數(shù)分析M：一每級(jí)放大器的三階交調(diào)系數(shù)，單位是dBc；M3一每級(jí)放大器對(duì)下一級(jí)放大器的三階交調(diào)系數(shù)貢獻(xiàn)，單位是dBc；M3一每級(jí)放大器考慮到前級(jí)放大器影響后的三階交調(diào)系數(shù)，單位是dBc。53圖7-31給出1GHz行波管替代器組成框圖，并給出每級(jí)放大器的增益、P1dB功率電平、三階交調(diào)系數(shù)和級(jí)聯(lián)放大器的三階交調(diào)系數(shù)等參數(shù)。圖中著重分析級(jí)聯(lián)放大器的三階交調(diào)系數(shù)，當(dāng)知道每級(jí)放大器的P1dB和輸出端口的功率電平，就可以估算出相應(yīng)的三階交調(diào)系數(shù)。由理論分析知道，功率放大器P1dB輸出功率處的三階交調(diào)系數(shù)是23.75dBc，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到實(shí)際功率器件的非線性性能的優(yōu)劣程度是不一樣的，通常取P1dB

48、輸出功率處的三階交調(diào)系數(shù)為20dBc。圖7-31表明，如果不考慮各級(jí)功率處的三階交調(diào)系數(shù)的貢獻(xiàn)，而只考慮末級(jí)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)時(shí)，6GHz行波管替代器的三階交調(diào)系數(shù)是31dBc，滿足30dBc指標(biāo)要求；當(dāng)考慮到各級(jí)放大器對(duì)三階系數(shù)的貢獻(xiàn)時(shí)，此級(jí)聯(lián)放大器的三階交調(diào)系數(shù)只有26.9dBc，不滿足30dBc指標(biāo)要求。為了達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，需要采用增益和P1dB更高的管子。54由于溫度變化、器件衰老和功放電路的不穩(wěn)定，功率放大器線性增益會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)。當(dāng)溫度從40上升到+50時(shí)，功率放大器的線性增益將下降好幾個(gè)分貝。功率放大器線性增益的波動(dòng)會(huì)使輸出信號(hào)有較大起伏。通?？梢圆捎米詣?dòng)電平控制（ALC

49、）電路使功率放大器的輸出信號(hào)保持穩(wěn)定。ALC電路是由幅度可變電路、定向耦合器、檢波器和直流放大器組成，如圖7-32所示。當(dāng)放大器線性增益變大時(shí)，使輸出功率變大，通過(guò)它向耦合器和檢波器把一部分輸出能量變成直流信號(hào)，直流放大器把直流信號(hào)放大，由該直流信號(hào)控制雙柵場(chǎng)效應(yīng)管放大器，降低雙柵場(chǎng)效應(yīng)管放大器增益，使輸出功率穩(wěn)定。幅度可變電路也可以由PIN管構(gòu)成，由于它是衰減器，采用這種ALC電路將會(huì)使功率放大器增益減小。另外，PIN管衰減量與偏置是非線性關(guān)系，因此它對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求較高，比雙柵場(chǎng)效應(yīng)管電路復(fù)雜。圖7-32 功率放大器的ALC電路55功率放大器的非線性將使信號(hào)幅度和相位畸變，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，

50、它將引起碼間干擾，并使輸出端的頻譜展寬，從而對(duì)相鄰信道產(chǎn)生很強(qiáng)干擾。為了提高通信質(zhì)量必須改善功放的非線性。功率放大器的線性化技術(shù)有功率倒退法、負(fù)反饋法、負(fù)前饋法和預(yù)失真法。1功率倒退法功率放大器輸入功率減小1dB時(shí)，三階交調(diào)系數(shù)改善2dB，用減小輸出功率的方法改善功放的線性，稱為功率倒退法。它是改善功放線性的一種常用的有效方法，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是降低了功率放大器的功率附加效率，且不能充分利用晶體管功率容量，增大了放大器成本。562負(fù)反饋法負(fù)反饋法是利用放大器輸出的非線性失真信號(hào)抵消放大器自身的一部分非線性。圖7-33是負(fù)反饋法原理圖，PA是功率放大器，B是反饋網(wǎng)絡(luò)。在1端輸入雙音信號(hào)

51、，2端輸出有三階交調(diào)分量，該輸出信號(hào)通過(guò)耦合器使一部分信號(hào)進(jìn)入反饋網(wǎng)絡(luò)B，通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)使信號(hào)倒相，再經(jīng)過(guò)耦合器輸入功率放大器；最后，在功率放大器輸出端口的信號(hào)比沒(méi)有反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)要小，三階交調(diào)分量也得以減少。圖7-34是功率放大器沒(méi)有反饋網(wǎng)絡(luò)和有反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出信號(hào)頻譜。該方法的難點(diǎn)是要求反饋網(wǎng)絡(luò)在很寬頻帶內(nèi)能保證反饋信號(hào)與功率放大器的輸入信號(hào)反相。圖7-33 負(fù)反饋法原理圖 圖7-34 負(fù)反饋功率放大器信號(hào)頻譜57圖7-36是預(yù)失真法原理圖。非線性發(fā)生器NG產(chǎn)生一個(gè)非線性失真信號(hào)，并輸入功率放大器PA，抵消功率放大器產(chǎn)生的非線性失真。信號(hào)的預(yù)失真可以在微波波段實(shí)現(xiàn)，也可以在中頻頻段實(shí)現(xiàn)，后者

52、可以將上變頻器和功率放大器的非線性失真信號(hào)一起抵消掉。圖7-35 負(fù)前饋法原理圖圖7-36 預(yù)失真法原理圖3負(fù)前饋法圖7-35是負(fù)前饋法原理圖。輸入信號(hào)同時(shí)輸入到功率放大器PA和非線性發(fā)生器NG，兩路非線性失真信號(hào)在輸出端恰好抵消；與此同時(shí)，基波信號(hào)也將損失一部分。圖中的4個(gè)小圖表示各點(diǎn)的頻譜分量。同負(fù)反饋法一樣，難點(diǎn)是要求功率放大器和非線性發(fā)生器的非線性失真信號(hào)在較寬頻帶內(nèi)能互相抵消。4預(yù)失真法58微波功率放大器的設(shè)計(jì)包括微波電路設(shè)計(jì)及直流供電電路設(shè)計(jì)。直流供電電路設(shè)計(jì)的原則首先應(yīng)保證功率放大器工作在所需要的工作狀態(tài)，其次應(yīng)考慮頻率響應(yīng)、穩(wěn)定性、損耗、功率容量和二次擊穿。591頻率響應(yīng)功率放

53、大器中常用的偏置電路有集中參數(shù)和分布參數(shù)兩種形式，如圖7-40所示。其中圖（a）是微波場(chǎng)效應(yīng)管功率放大器集中參數(shù)偏置電路；圖（b）是微波雙極型晶體管功率放大器集中參數(shù)偏置電路；圖（c）是微波場(chǎng)效應(yīng)管功率放大器分布參數(shù)偏置電路。集中參數(shù)偏置電路主要用于微波頻率的低端，分布參數(shù)偏置電路主要用于微波頻率的高端。在設(shè)計(jì)窄帶或點(diǎn)頻功率放大器時(shí)，偏置電路對(duì)電路性能影響非常小，幾乎可以不考慮。在設(shè)計(jì)寬帶功率放大器時(shí)，或工作頻率較高時(shí)，偏置電路對(duì)電路性能影響比較大，這時(shí)，應(yīng)把偏置電路作為匹配電路的一部分加以考慮。圖7-40 微波功率放大器偏置電路（a）MES FET功放集中參數(shù)偏置電路；（b）BJT功放集中參數(shù)偏置電路；（c）MES FET功放分布參數(shù)偏置電路。602穩(wěn)定性在微波功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到通帶外有自激，這種自激使功率放大器不穩(wěn)定。采用窄帶分布參數(shù)偏置電路可以有效地抑制微波功率放大器的帶外自激。3損耗在圖7-40中，偏置電路中包