第3章 射頻功率放大器

1、第3章 射頻功率放大器電路n3.1 射頻功率放大器的主要技術(shù)指標射頻功率放大器的主要技術(shù)指標n3.1.1 輸出功率n3.1.2 效率n3.1.3 線性n3.1.4 雜散輸出與噪聲n3.2 射頻功率放大器電路結(jié)構(gòu)射頻功率放大器電路結(jié)構(gòu)n3.2.1 射頻功率放大器的分類n3.2.2 A類射頻功率放大器電路n3.2.3 B類射頻功率放大器電路n3.2.4 C類射頻功率放大器電路n3.2.5 D類射頻功率放大器電路n3.2.6 E類射頻功率放大器電路n3.2.7 F類射頻功率放大器電路n3.3 功率放大器電路的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)功率放大器電路的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)n3.3.1 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的基本要求n3.3.2 集

2、總參數(shù)的匹配網(wǎng)絡(luò)n3.3.3 傳輸線變壓器匹配網(wǎng)絡(luò)n3.4 功率合成與分配功率合成與分配n3.4.1 功率合成器n3.4.2 功率分配器n3.5 功率放大器的線性化技術(shù)功率放大器的線性化技術(shù)n3.5.1 前饋線性化技術(shù)n3.5.2 反饋技術(shù)n3.5.3 包絡(luò)消除及恢復(fù)技術(shù)n3.5.4 預(yù)失真線性化技術(shù)n3.5.5 采用非線性元件的線性放大n3.6 射頻功率放大器電路實例射頻功率放大器電路實例n3.6.1 1.0GHz、60W寬帶射頻功率放大器電路n3.6.2 2.4GHz 頻帶的WLAN功率放大器電路n3.6.3 藍牙功率放大器電路n3.6.4 50Hz2.7GHz射頻功率測量電路n思考題與習(xí)

3、題思考題與習(xí)題3.1 射頻功率放大器的主要技術(shù)指標n射頻功率放大器是各種無線發(fā)射機的主要組成部分。在發(fā)射機的前級電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號功率很小，需要經(jīng)過一系列的放大如緩沖級、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。射頻功率放大器電路在設(shè)計時需要對輸出功率、激勵電平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等問題進行綜合考慮。射頻功率放大器的主要技術(shù)指標是輸出功率與效率，這是研究射頻功率放大器的關(guān)鍵。而對功率晶體管的要求，主要是考慮擊穿電壓、最大集電極電流和最大管耗等參數(shù)。為了實現(xiàn)有效的能量傳輸，天線和放

4、大器之間需要采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。3.1.1 輸出功率n在發(fā)射系統(tǒng)中，射頻末級功率放大器輸出功率的范圍可小至毫瓦級，大至數(shù)千瓦級。為了實現(xiàn)大功率輸出，末級功率放大器的前級放大器電路必須要有足夠高的激勵功率電平。在大功率發(fā)射系統(tǒng)中，往往由二級到三級甚至由四級以上的功率放大器組成射頻功率放大器，各級的工作狀態(tài)也往往不同。n根據(jù)對工作頻率、輸出功率、用途等的不同要求，可以采用晶體管、FET、射頻功率集成電路或電子管作為射頻功率放大器。在射頻大功率方面，目前無論是在輸出功率或在最高工作頻率方面，電子管仍然占優(yōu)勢。千瓦級以上的發(fā)射機，大多數(shù)還是采用電子管。當(dāng)然，晶體管、FET也在射頻大功率方面不斷取得新的突

5、破。例如，目前單管的功率輸出已超過100W，若采用功率合成技術(shù)，輸出功率可以達到3000W。3.1.2 效率n功率放大器由于輸出功率大，因而要求直流電源提供的功率也較大，這就存在一個效率問題。效率是射頻功率放大器極為重要的指標，特別是對于移動通信設(shè)備。定義功率放大器的效率，通常采用集電極效率C和功率增加效率PAE兩種方法。n1集電極效率cn所謂集電極效率，是指功率管集電極輸出的有用功率Pout和電源供給的直流功率Pdc的比值，用C表示，見(3.1.1)。n式（3.1.1）中，Pc為管耗。效率c越高，意味著在相同輸出功率情況下，要求直流電源供給的功率越小，相應(yīng)管子內(nèi)部消耗的功率也越小。n2功率附

6、加效率(Power Added Efficiency,PAE)n功率附加效率定義為輸出功率Pout與輸入功率Pin的差與電源供給功率Pdc之比，見 (3.1.2)n功率附加效率PAE的定義中，包含了功率增益的因素，當(dāng)有比較大的功率增益，即PoutPin時，有CPAE。n如何提高輸出功率和效率，是射頻功率放大器設(shè)計目標的核心。3.1.3 線性n衡量射頻功率放大器線性度的指標有三階互調(diào)截點(IP3)、1dB壓縮點、諧波、鄰道功率比等。鄰道功率比用來衡量由放大器的非線性引起的頻譜再生對鄰道的干擾程度。n由于非線性放大器的效率高于線性放大器的效率，射頻功率放大器通常采用非線性放大器。功率放大電路工作在

7、大信號狀態(tài)，晶體管工作在非線性區(qū)域，會出現(xiàn)較多的非線性失真。從頻譜的角度看，由于非線性的作用，輸出信號中會產(chǎn)生新的頻率分量，如三階互調(diào)分量、五階互調(diào)分量等，它干擾了有用信號并使被放大的信號頻譜發(fā)生變化(即頻帶展寬了)。在功率放大電路中的失真主要是互調(diào)失真，互調(diào)失真是衡量功率放大器電路性能的一個重要參數(shù)。n在有兩個或多個單頻信號輸入的情況下，非線性放大電路會產(chǎn)生(輸出)除這些單頻外的新頻率信號。這些新出現(xiàn)的單頻信號是非線性系統(tǒng)互調(diào)的產(chǎn)物。例如，假定輸入信號是兩個頻率為f1和f2、幅度相同的單頻信號的疊加，則nui(t)=cos(2f1t)+cos(2f2t) (3.1.3)n則輸出電壓見(3.1

8、.5)。將上式展開后，可以發(fā)現(xiàn)輸出電壓uO(t)包含有DC、f1、f2、2f1、2f2、f1f2頻率成分。如果在放大電路的非線性幅度響應(yīng)中取到三次方項，除二次方展開輸出電壓uO(t)得到的頻率成分外，還得到包含有3f1、3f2、2f1f2、f12f2的頻率成分。n這些頻率成分可以分類為：二次諧波2f1、2f2(u2項引起)；三次諧波3f1、3f2(u3項引起)；二階互調(diào)f1f2(u2項引起)；三階互調(diào)2f1f2、f12f2(u3項引起)。放大電路輸出信號包含有多種頻率成分，這些頻率中距離輸入信號頻率f1和f2最近的頻率是三階互調(diào)的產(chǎn)物2f1-f2和2f2-f1。其他頻率距離基頻f1和f2較遠，

9、很容易使用濾波器濾除，但三階互調(diào)的產(chǎn)物2f1-f2和2f2-f1會落在放大電路的有效帶寬內(nèi)，不能使用濾波器濾除。三階互調(diào)是造成射頻功率放大電路產(chǎn)生失真的主要因素，是衡量功率放大電路性能的一項重要指標。n三階互調(diào)產(chǎn)物的輸出功率P2f1-f2隨f1的輸入功率Pf1變化，近似為線性關(guān)系。三階互調(diào)截點(用PIP3表示)定義為：對于兩端口線性網(wǎng)絡(luò)，輸入功率Pf1和互調(diào)產(chǎn)物P2f1-f2的交叉點。n三階互調(diào)截點PIP3是一個理論上存在的功率值。三階互調(diào)截點PIP3的值越高，放大電路就具有越高的動態(tài)范圍。根據(jù)理論和實驗都可以得到三階互調(diào)截點在1dB增益壓縮點以上10dB，關(guān)系表示為nPIP3(dBm)=P1

10、dB(dBm)+10dB (3.1.6)n從時域的角度看，對于波形為非恒定包絡(luò)的已調(diào)信號，由于非線性放大器的增益與信號幅度有關(guān)，因此使輸出信號的包絡(luò)發(fā)生了變化，引起了波形失真，同時頻譜也發(fā)生了變化，并引起了頻譜再生現(xiàn)象。對于包含非線性電抗元件(如晶體管的極間電容)的非線性放大器，還存在使幅度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔蛔兓挠绊?，干擾了已調(diào)波的相位。n非線性放大器對發(fā)射信號的影響，與調(diào)制方式密切相關(guān)。不同的調(diào)制方式，所得到的時域波形是不同的，如GSM制式采用了高斯濾波的最小偏移鍵控(GMSK)，可以用非線性放大器來放大。但對于北美的數(shù)字蜂窩(NADC)標準，采用的是4偏移差分正交移相鍵控4-DQPSK調(diào)制方

11、式，已調(diào)波為非恒定包絡(luò)，它就必須用線性放大器放大，以防止頻譜再生。3.1.4 雜散輸出與噪聲n對于通過天線雙工器共用一副天線的接收機和發(fā)射機，如果接收機和發(fā)射機采用不同的工作頻帶，發(fā)射機功率放大器產(chǎn)生的頻帶外的雜散輸出或噪聲若位于接收機頻帶內(nèi)，就會由于天線雙工器的隔離性能不好，而被耦合到接收機前端的低噪聲放大器輸入端，形成干擾，也可能對其他相鄰信道形成干擾。n因此必須限制功率放大器的帶外寄生輸出，而且要求發(fā)射機的熱噪聲的功率譜密度在相應(yīng)的接收頻帶處要小于-130dBm/Hz，這樣對接收機的影響基本上可以忽略。3.2 射頻功率放大器電路結(jié)構(gòu)3.2.1 射頻功率放大器的分類n射頻功率放大器的工作頻

12、率很高(從幾十兆赫茲一直到幾百兆赫茲，甚至到幾十吉赫茲)，按工作頻帶分類，可以分為窄帶射頻功率放大器和寬帶射頻功率放大器。窄帶射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路，例如LC諧振回路。寬帶射頻功率放大器不采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路，而是以頻率響應(yīng)很寬的傳輸線作為負載。n根據(jù)匹配網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，可將功率放大器分為非諧振功率放大器和諧振功率放大器。非諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)是非諧振系統(tǒng)，例如高頻變壓器、傳輸線變壓器等非諧振系統(tǒng)，它的負載性質(zhì)呈現(xiàn)純電阻性質(zhì)。而諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)是諧振系統(tǒng)，它的負載性質(zhì)呈現(xiàn)電抗性質(zhì)。n射頻功率放大器按照電流導(dǎo)通角的不同分類，可分為甲(A)類、甲乙(AB)類、乙(

13、B)類、丙(C)類。甲(A)類放大器電流的導(dǎo)通角=180，適用于小信號低功率放大。乙(B)類放大器電流的導(dǎo)通角=90；甲乙(AB)類的導(dǎo)通角介于甲類與乙類之間，90180；丙(C)類放大器的電流導(dǎo)通角90。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài)。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是這幾種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類狀態(tài)，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。n射頻功率放大器還有使功率器件工作于開關(guān)狀態(tài)的丁(D)類放大器和戊(E)類放大器。丁類放大器的效率理論上可達100，但它的最高

14、工作頻率受到開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間所產(chǎn)生的器件功耗(集電極耗散功率或陽極耗散功率)的限制。如果在電路上加以改進，使電子器件在通斷轉(zhuǎn)換瞬間的功耗盡量減小，則丁類放大器的工作頻率可以提高，即構(gòu)成戊類放大器。n還有另外一類高效率放大器是F類、G類和H類。在它們的集電極電路中，設(shè)置了包括負載在內(nèi)的專門無源網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一定形狀的電壓波形，使晶體管在導(dǎo)通和截止的轉(zhuǎn)換期間，電壓uCE和iC均具有較小的數(shù)值，從而減小過渡狀態(tài)的集電極損耗。同時還設(shè)法降低晶體管導(dǎo)通期間的集電極損耗，來實現(xiàn)高效率的功放。n射頻功率放大器按工作狀態(tài)分類，可分為線性放大和非線性放大兩種。線性放大器的效率最高只能達到50，而非線性放大器則具有較高的

15、效率。n射頻功率放大器通常工作于非線性狀態(tài)，屬于非線性電路。通常采用的分析方法是圖解法和解析近似分析法。圖解法利用電子器件的特性曲線來對它的工作狀態(tài)進行計算；解析近似分析法將電子器件的特性曲線用某些近似解析式來表示，然后對放大器的工作狀態(tài)進行分析計算。n圖解法是從客觀實際出發(fā)，計算結(jié)果比較準確，但對工作狀態(tài)的分析不方便，步驟比較煩冗；折線近似法的物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便，但計算準確度較低。3.2.2 A類射頻功率放大器電路nA類射頻功率放大器電路屬于線性放大器，放大器電流的導(dǎo)通角=180，即在正弦信號一周期內(nèi)，放大器電路的功率管是處于全導(dǎo)通工作狀態(tài)，適合放大AM、SSB等非恒定包絡(luò)已調(diào)波

16、。對于一些射頻小功率情況，例如，在4GHz頻率以下實現(xiàn)1W(30dBm)的輸出功率，或者在UHF頻段實現(xiàn)5W的輸出功率，可以選用A類放大電路作為功率放大電路。n晶體管A類射頻功率放大器的典型電路結(jié)構(gòu)、負載線和波形如圖3.1所示。為了輸出大的功率，一般采用如下措施：集電極采用扼流圈(或線圈)饋電；讓晶體管工作于可能的最大輸出功率狀態(tài)；在實際負載RL和最佳負載Ropt間采用一個阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，使放大器輸出最大功率。n對于A類射頻功率放大器，為使功率管能有最大交流信號擺幅，從而獲得最大輸出功率，需要將直流工作點Q選擇在交流負載線的中點，如圖3.1b所示。需要注意的是，激勵信號幅度不能過大，以避免輸出波

17、形產(chǎn)生失真。圖3.1 晶體管A類射頻功率放大器的電路結(jié)構(gòu)、負載線和波形nA類射頻功率放大器在沒有輸入信號時，電源供給的全部功率都消耗在功率管上，即管耗達到最大，這是人們所不希望的。nA類射頻功率放大器電路的效率不僅與輸入信號的幅度有關(guān)，而且還與輸入信號的波形有關(guān)。對于輸入信號為一個方波的情況，輸出集電極電流必然也是一個方波。分析表明：A類射頻功率放大器電路在輸入/輸出均為方波的情況下，理想效率可達到100%。為實現(xiàn)不失真放大，通常用LC并聯(lián)諧振回路做集電極負載。如果LC回路調(diào)諧在基波，選出基波頻率分量，則輸出功率如(3.2.4)所示。n從(3.2.6)可見，A類射頻功率放大器在方波工作時的最大

18、效率比正弦波工作時的理想效率還高出31。如果把LC回路調(diào)諧在n次諧波上，就可實現(xiàn)n次倍頻。但效率將隨次數(shù)n很快下降。n在小信號輸入時，A類放大電路始終工作在線性區(qū)域，可以使用最大功率增益、最小噪聲系數(shù)等設(shè)計方案。在大信號輸入時，A類放大電路可能工作在非線性區(qū)域，會出現(xiàn)較大的非線性失真。在輸出匹配電路的設(shè)計中，需要提高電路的品質(zhì)因數(shù)，才能抑制基頻信號的諧波，減小信號的非線性失真。n通常廠家在提供大信號下晶體管各種參數(shù)時，往往給出當(dāng)工作在1dB增益壓縮點時，晶體管的大信號源電壓反射系數(shù)GSP和負載電壓反射系數(shù)GLP及輸出功率P1dB。n1dB增益壓縮點(G1dB)定義：由于晶體管的非線性特性，放大

19、電路實際輸出功率增益比線性功率增益降低1dB時，放大電路的實際功率增益，表示為(3.2.7)。n1dB增益壓縮點如圖3.2所示，實線代表晶體管輸出功率Pout隨輸入功率Pin增加的實際變化，虛線代表輸出功率Pout與輸入功率Pin之間理想的線性關(guān)系。當(dāng)輸入功率Pin增加到Pin，1dB時，輸出功率PoutP1dB比線性功率增益Po下降了1dB。 圖3.2 功率放大器1dB增益壓縮點和動態(tài)范圍n依照廠家給出的1dB增益壓縮點的數(shù)據(jù)，設(shè)計A類射頻功率放大電路的步驟如下。n1)選擇合適的有源器件，檢驗晶體管在1dB增益壓縮點的特性和頻率特性，看是否能滿足放大電路設(shè)計的需要。n2)檢查穩(wěn)定條件，判斷晶

20、體管是否滿足絕對穩(wěn)定條件，或者在Smith圓圖上繪出穩(wěn)定區(qū)域。n3)對于給定輸出功率的要求，在Smith圓圖上繪出等輸出功率曲線。如果廠家沒有給出該等輸出功率曲線，可以通過插值的方法獲得。n4)選擇合適的LP以滿足輸出放大電路功率的需要，并根據(jù)電壓反射系數(shù)LP計算晶體管輸出端口的電壓反射系數(shù)IN。n5)選擇SPIN，以滿足共扼匹配條件,獲得最大的功率增益。n6)依據(jù)獲得的LP和SP值，設(shè)計A類功率放大電路的輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。3.2.3 B類射頻功率放大器電路n晶體管B類射頻功率放大器的典型電路結(jié)構(gòu)、負載線和波形如圖3.4所示。n電路中，偏置電壓VBB=Von，當(dāng)正弦波信號輸入時，功率管在輸入

21、波形的半個周期內(nèi)導(dǎo)通，而在另半個周期則是截止的。顯然靜態(tài)時，集電極電流iC為零，集射極間電壓為VCC。由于功率管在半個周期內(nèi)導(dǎo)通，電流導(dǎo)通角=/2，所以輸出是一個半波正弦信號，如圖3.4b所示。nB類射頻功率放大器電路采用雙管B類推挽工作，即用兩只B類工作的功率管各放大半個正弦波，然后在負載上合成一個完整的正弦波(圖中僅給出了VT1的波形)。圖3.4 晶體管B類射頻功率放大器的典型電路結(jié)構(gòu)、負載線和波形nB類推挽射頻功率放大器也可以采用兩只互補功率MOSFET組成。功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)與功率雙極晶體管(BJT)相比有很多優(yōu)點。n場效應(yīng)晶體管的ID為負溫度系數(shù)，它隨溫度升高而減小，這

22、使功率管溫度上升以后仍能保證安全工作。而雙極晶體管的IC為正溫度系數(shù)，如果不采用復(fù)雜的保護電路，則溫度上升后功率管將燒壞。雙極晶體管是少數(shù)載流子工作器件，功耗隨工作頻率的增加而增加。場效應(yīng)晶體管是多數(shù)載流子工作器件，在導(dǎo)通、截止之間的轉(zhuǎn)換極為迅速，功耗小、工作頻率高。n由于場效應(yīng)晶體管的輸入阻抗高，激勵功率小、功率增益高，而且易于集成，所以在集成功率放大器集成電路芯片內(nèi)的輸出級，常常采用這種互補場效應(yīng)晶體管B類推挽功放電路。n高效率功率放大器可使用過激勵B類工作模式。B類過激勵的理想集電極電流和電壓波形如圖3.5所示(實線部分)，電流和電壓波形的振幅隨激勵而增加，但它們截斷時的峰值保持與一般的

23、B類是一樣的，分別等于供電電壓VCC和電流峰值Icm。n以電流和電壓波形作為角度參數(shù)1的函數(shù)，進行傅里葉分析，得出電壓和電流各分量的值，表達式見3.2.123.2.23。nB類過激勵的集電極效率值高于傳統(tǒng)B類工作的最大集電極效率(78.5)，分析式(3.2.22)作為1的函數(shù)，并對其求極值，B類過激勵模式具有的最大集電極效率88.6，此時角度參數(shù)132.4。圖3.5 B類過激勵的集電極電流和電壓波形3.2.4 C類射頻功率放大器電路n晶體管C類射頻功率放大器的典型電路結(jié)構(gòu)、負載線和波形如圖3.6所示。nC類射頻功率放大器又稱為諧振功率放大器，放大器電流的導(dǎo)通角90，屬于非線性功率放大器，只適合

24、放大恒定包絡(luò)的信號。電路中基極偏置VBBVon，VBB與輸入信號Vim決定導(dǎo)通角，導(dǎo)通角Von-VBB/Vim，集電極電流iC為脈沖形式(見圖3.6)，集電極的LC輸出諧振回路完成選頻與阻抗變換功能，輸出電壓為正弦波。圖3.6 晶體管C類射頻功率放大器的典型電路結(jié)構(gòu)、負載線和波形nC類射頻功率放大器電路中功率管的導(dǎo)通時間小于半個周期，即導(dǎo)通角3.2V)時，推薦低增益模式。在低電源電壓(3.3V)時，推薦高增益模式。n功率檢測器的電流輸出是線性的，與RF輸出電壓成比例。功率檢測器為獲得最高精確度使用5.6k電阻。也可以選擇其他的值來適合其他電路的最大輸入靈敏度。nSA2411采用2條相等的微帶線把SA2400A接在SA2411上，連接線的長度要求為最短形式。3.6.3 藍牙功率放大器電路nMAX2244/MAX2245/MAX2246是專門設(shè)計用在2425GHz頻帶的藍牙功率放大器，采用336V單電源供電，電流消耗208mA；輸入功率