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北京邮电大学硕士学位论文 射撰功率放大嚣的研究与设计 射频功率放大器的研究与设计 摘要 近年来，随着无线通信和微电子技术的发展，现代通信正朝着大 容量、多载波、多电平、宽频带和较高峰均比的方向发展。这些发展 无疑对无线通信设备的设计提出了更高的要求。射频功率放大器作为 发射机的核心部件，它的性能是制约整个系统性能和技术水平的关键 因素。因此非线性功率放大器的线性化问题研究成为整个射频系统构 建的关键。本文从板级的角度，初步探讨了射频功率放大器( r f p a ) 的设计过程，设计了应用于w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的高功效、高频谱利 用率的基站射频功率放大器。主要贡献如下： 1 介绍了射频功率放大器的技术指标、技术要求和一般的设计 方法，并从板级电路的角度提出了改善记忆效应的方法。 2 利用a d s 软件设计了整个射频功率放大器电路。采用独特的 宽带匹配电路设计和多目标联合优化的系统设计方法，有效地权衡了 各个参量之间的特性。同时，还设计了直流供电和温度补偿电路。 3 利用p r o t e l 进行p c b 制板，分析了p c b 上的辐射、串扰、 谐振等，并按照电磁兼容性原则设计了射频功率放大器的版图。此外 还设计了用于散热和屏蔽的屏蔽盒，并使用时域有限差分法( f i ) t d ) 分析了屏蔽盒对内和对外场强的影响。 4 测量了射频功率放大器的偏置电路，并提出了测量方案，包 括s 参数、单音信号、双音信号和w c d m a 信号测量。 关键词：射频功率放大器宽带匹配电磁兼容时域有 限差分法( f d t d ) 北豪邮屯大学焉士学位论文射频功率放大器的研究与设计 r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h e r fp o w e ra m p l i f i e r a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n d m i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g i e s ，m o d e r nc o m m u n i c a t i o n i s d e v e l o p i n g t o w a r d sa d d i n gc h a n n e lc a p a b i l i t y ，m u l t i c a r r i e r ，m u l t i l e v e l ，w i d e n i n g t h ef r e q u e n c ya n dh i g h e rp a r a l lt h e s ec h a n g e sm a k et h ed e s i g no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tm o r ed i f f i c u l t y a st h ec o r eo ft h e t r a n s m i t t e r ，t h ep e r f o r m a n c eo fr fp o w e ra m p l i f i e rr e s t r i c t st h et e c h n i q u e l e v e lo ft h ew h o l es y s t e m w ed i s c u s st h ed e s i g np r o c e s so fr fp o w e r a m p l i f i e ra n dh a v ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dr fp o w e ra m p l i f i e ro f b a s es t a t i o nw i t hh i g hp o w e ra d d i n ge f f i c i e n c ya n ds p e c t r u mu t i l i z a t i o n r a t i oa p p l i c a t i o ni nw c d m aa n dc d l 气2 0 0 0 t h ew o r k si n c l u d e di n t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 r f p ai si n t r o d u c e di n c l u d i n gt e c h n i c a li n d i c a t o r s t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t sa n dg e n e r a lm e t h o d so fd e s i g n ，a n dt h e nt h em e t h o dt o i m p r o v et h em e m o r ye f f e c tb yc i r c u i td e s i g ni sp u tf o r w a r dt o 2 曰l ew h o l er f p ac i r c u i t sa r ed e s i g n e db ya d s 1 1 1 ep e r f o r m a n c e o fe a c hp a r a m e t e ri st r a d e do f fb ys p e c i a ld e s i g no fh r o a d b a n dm a t c h i n g c i r c u i ta n dj o i n tm u l t i o h i e c t i v eo p t i m i z a t i o n w h i l e ，t h ec i r c u i tt od c p o w e rs u p p l ya n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ni sa l s od e s i g n e d 3 ，n l er a d i a t i n g ，c r o s s t a l ka n dr e s o n a n c eo fp c bi sa n a l y z e d ，t h e p c bo fr f p ai sd e s i g n e db yp r o t e la c c o r d i n gt ot h ee m c p r i n c i p l e m o r e o v e r ，as h i e l d i n gb o xi sd e s i g n e dt oc o o la n ds h i e l dt h er f p a t h e f 嘞m e t h o di su t i l i z e dt oa n a l y z et h ec h a n g eo fe l e c t r i cf i e l dw h i l e a d d i n gt ot h es h i e l d i n gb o x 4 b i a sc i r c u i to fr 融i st e s t e d a n dt e s ts c h e m e si n c l u d i n gs p a r a m e t e r s ，s i n g l e - t o n e ，t w o t o n es i g n a l sa n dw c d m as i g n a l sh a v e b e e n 北京邮电大学硕士学位论文射频功率放大器的研究与设计 p u tf o r w a r dt o k e yw o r d s ：r fp o w e r e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b l e ( e m c ) ( f d t d ) a m p l i f i e r b r o a d b a n dm a t c h i n g f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i n 北京邮电大学硕士学位论文 射颓功率放大嚣的研究与设计 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位 本人签名 处，本人承担一切相关责任。 日期：庭尘 ：王：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权 书。非保密论 本人签名 导师签名 于保密范围，适用本授权书。 日期：生竺2 ：主 日期： 北京邮电大学硕士学位论文射频功率放大嚣的研究与设计 第一章绪论 整个无线通信市场对功率放大器的需求量巨大，质量要求也极高。尤其是第 三代移动通信多信道、高速和宽频特性对功率放大器的线性度提出了巨大挑战。 而功率放大器消耗了无线通讯系统近8 0 的电功率。功率放大器效率和线性度 的提高将极大地节约无线通信系统的成本。 1 1 研究背景及意义 近年来，随着无线通信和微电子技术的蓬勃发展，无线通信的用户，特别是 无线手机用户迅猛增长，这对现代通信提出了更高的要求。特别是第三代移动通 信技术，其核心业务不再局限于语音、图像，而是更高要求的多媒体业务。这就 要求通信系统的容量不断扩大，信息的可靠性和安全性不断提高，致使通信频段 越来越拥挤。为了改变这种局面，人们提出了各种技术来提高频谱的利用效率。 如采用新的宽带数字传输技术( 如o f d m ，w c d m a ，m c c d m a ) 以提高信息的传输 效率和可靠性，高效的数字调制技术( 如q p s k 和m q a m 等) 以达到更广泛的信 道空间分配。由于这些技术的信息传输都朝着大容量、多载波、多电平、宽频带 和较高峰均比的方向发展“。”。这对发射机的射频功率放大器提出了非常高的 要求。 在移动通信系统的基站和移动台的发射机中，最重要的部件莫过于射频部分 的功率放大器( p a ) 。功率放大器和相关的射频器件占无线基站硬件成本的4 0 以上。射频功率放大器不是一个纯线性器件，尤其是工作在饱和点附近，非线性 失真将很严重。虽然像q p s k 和4 一q p s k 线性调制在理论上可以获得高的频谱 效率，但是由于放大器存在非线性( 幅度非线性失真和相位非线性失真：可分别 由p a 的a m 舢变换和a m 跳变换描述) ，当放大器的输入信号为正交调制信( q a m 或q p s k ) 时将产生互调失真( i m d ) ，另外放大器的输入输出特性与输入信号的 包络幅度有关，信号的包络波动也将产生互调失真，这些互调失真产物会对带外 信号产生干扰，使功率放大器输出信号频谱扩展“1 。 为了满足通讯质量要求，在现有及未来移动通信系统中，对邻信道干扰 ( a c p i ) 的要求是非常严格的，通常要求基站输出的己调信号在邻信道的辐射功 率( 带外发射功率) 与所需功率之比应低于- 6 0 d b ，即与带内信号功率相比，带 外发射功率应小于- 6 0 d b 到- 7 0 d b 。为了避免3 g 对w l a n 的干扰，3 g - w c d m a 规范 要求带外辐射信号在2 2 0 0 涮z 以上频带内小于一4 0 d b c l o o k h z ”1 。 北京邮电大学硕士学位论文 射频功率放大器的研究与设计 射频功率放大器是整机最耗电的部分，因此为了节省成本提高效率，功率放 大器又常常需要工作在饱和点附近。因此高功效、高频谱利用率的非线性功率放 大器的线性化问题研究成为整个射频系统构建的关键。 1 2 射频功率放大器的研究现状 要改善放大器的互调失真，国内外普遍使用的主要有两种方法：一是改进放 大器本身的性能；二是使用线性化技术。 改进放大器本身的性能是从根本上提升放大器内部的信号完整性，这是最省 事，但也是最复杂的方法。这种方法主要是通过发明性能更好、更合适的晶体管， 应用更先进的集成技术。在设计过程中，综合考虑器件的寄生效应、温升效应、 以及记忆效应等，使用更好的偏置电路、宽带匹配电路、散热和屏蔽技术来最大 幅度地提高放大器的线性度和效率。目前，针对第三代通信开发的放大器厂家主 要有飞思卡尔( f r e es c a l e ) 、菲利浦( p h i l i p s ) 、a d i 等。 功率放大器的线性化技术始于上个世纪二十年代，随着现代通信的发展，线 性化技术发展迅速。射频功率放大器的线性化方法中最重要的是前馈和预失真技 术。前馈技术具有无条件稳定，线性度高，且线性度和增益无直接关系，噪声系 数好等优点，但技术结构复杂，在整个频率范围内温度和时间的校准精度完全依 赖系统各元件的精度，且相位、幅度和延时匹配成为难点。随着数字处理技术和 微电子技术的发展，使用d s p 的数字化线性技术越来越受到重视，如自适应基带 预失真放大器，二次谐波反馈预失真放大器等等。由于信号的预失真处理是在基 带上进行，无需进行复杂的射频处理，系统控制非常方便。但系统所能处理的最 高速率受限于d s p 的处理速率，且d s p 消耗的功率非常大，成本很高。数字预失 真芯片研发制造商主要有p m c ( 加拿大) 、i n t e r s i l ( 美国) 。 1 3 本文主要工作和内容安捧 本课题是研究应用于w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 基站的射频功率放大器，主 要是从电路设计和板级设计的角度对射频功率放大器进行了详细的分析研究。首 先从理论上提出了改善记忆效应的板级电路设计方法，并对宽带稳定性设计和宽 带匹配设计提出了一些改进方法；然后利用a d s 设计了三级射频功率放大器的 偏置电路、匹配电路、直流供电电路等；随后利用p t o t e l 设计了放大器的p c b 板和屏蔽盒，分析了p c b 板的电磁兼容性，并通过时域有限差分法( 册) 仿 真了屏蔽盒对p c b 板的影响；最后对仿真设计结果和实测数据就行了对比。 2 北京邮电大学颈士学位论文射频功率放大嚣的研究与设计 论文结构如下： 第一章为绪论，介绍了射频功率放大器的研究背景、意义和现状。 第二章主要分析了射频功率放大器的参数描述，并详细介绍了射频功率放大 器的行为模型和主要设计方法。 第三章是详细介绍了射频功率放大器的电路设计过程，包括器件选型和功率 分配，单级、三级的功率放大器设计，直流供电和温度补偿。 第四章对第三章设计的放大器电路进行p c b 制板，研究了制板过程中的设 计原则和电磁兼容，并对放大器的散热和屏蔽进行了设计。 第五章对设计出来的放大器进行了直流偏置测试，并提出了整个放大器的测 试方案。 第六章对全文就行了总结和展望。 3 北京邮电大学硕士学位论文 射频功宰放大器的研究与设计 第二章射频功率放大器的理论基础 射频功率放大器在无线通信系统中放在发射天线的前面，主要是在发射前将 输入信号放大，以克服发射机和接收机之间的信道损耗。射频功率放大器是通过 晶体管将直流信号转化为射频信号，转化效率直接决定了发射机的功率消耗。此 外，输入信号和放大后的信号还要求保持为线性关系，否则将会产生失真。 2 1 传输线理论 射频信号的波长与电路的尺寸可比拟时，就需要考虑电路的分布参数，传输 线理论就是用“路”思想分析传输线上的分布特性。 2 1 1 均匀微带传输线 所谓均匀微带传输线，就是单位长度的电阻r o 、电导g o 、电容c o 和电感 厶沿线均匀分布。图2 - 1 为传输线上如长度的等效电路图【5 1 。 i 定量 羊j 围2 - 1 均匀传输线的微分等效电路图 根据基尔霍夫电压和电流定律可得方程： 心力一r d z i ( z 力一础至笋毗讹沪。 酝f ) 一g d z v ( z ，f ) 一c d z # v ( z + ，d z , t ) 一心+ d z ，f ) - 0 晰 取极限d z 一0 ，得出下列微分方程： 掣- ：r ( z 力一lo i ( 甜z , t ) 耙 甜 一掣- 矗) - c 型o t钯 一 对具有余弦相位因子的稳态情况，可简化为： 掣一( r + j w l ) i ( z ) 4 式( 2 - 1 ) 式( 2 2 ) 式( 2 - 3 ) 式( 2 4 ) 式( 二5 ) 北京邮电大学硕士学位论文射频功率放大嚣的研究与设计 式中 d _ r ( _ z ) 。一( g + j w c ) v ( z ) a 2 求解( 2 - 7 ) 和( 2 8 ) 后可得： y ( z ) 一瑶e 1 2 + v ；e ” 一。一妒 式( 2 6 ) 式( 2 - 7 ) 式( 2 - 8 ) y 。a + j p = 、f ( r + j w l ) ( g + j w c ) 式( 2 9 ) 为复数传播常数，并且是频率的函数，e 一项表示波向+ z 方向传播，e ”项表示 波向一z 方向传播。此外，定义特性阻抗z 。为 z o 一启g g + j w l i 当不计传输线的损耗时，r g ；0 。 2 1 2 二端口网络散射矩阵 式r 2 1 0 ) 在射频领域，电路短路和开路一般都是忌讳使用的工作状态，因此常用散射 矩阵来表征一个二端口网络的特性。如图2 - 2 所示的二端口网络。a ，和6 1 分别为 端口1 的入射波和发射波，a 2 和6 2 分别为端口2 的入射波和发射波【酊。 图2 - 2 = 端口网络 s 参数反映端1 3 的入射波与反射波之间的关系，图2 - 2 所示的二端1 2 归一化 散射矩阵表示如下： 乏s = j 1 倒刊巾】一仨二嚣：兰i i ( 2 - 1 1 ， s 参数信号模型如图2 3 所示： 5 北京邮电大学硬士学位论文 射频功率放大器的研究与设计 图2 - 3s 参数的信号模型 s 矩阵中的每一个参数都有对应的实际意义，墨。是在二端口网络输出端口 匹配条件下输入端口的电压反射系数，s ：。是输出端口匹配条件下二端口网络的 正向电压传输系数，s 。是在二端口网络输入端口匹配条件下输出端口的电压反 射系数，s ：是输入端口匹配条件下二端口网络的反向电压传输系数【7 1 。 2 2 射频功率放大器的技术指标 2 2 1 输出功率 放大器的目的就是获得足够高的不失真的输出功率，主要关心饱和输出功率 和l d b 压缩点输出功率1 - 口。 ( 1 ) 饱和输出功率 当功率放大器的输入功率加大到某一值后，再加大输入功率并不会改变输出 功率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率【6 j 。 ( 2 ) l d b 压缩点输出功率m 妻 嚣 薯 t 点 功事继舢 圈2 - 4 输入功率和输出功率曲线 功率放大器增益压缩l l t l l 所对应的输出功率为称为l d b 压缩点输出功率， 记为 6 北京郎电大学硕士学位论文射曩功率放大器的研究与设计 2 2 2 功率增益和增益平坦度 ( 1 ) 转换功率增益g 当放大器的输入阻抗和信号源的内阻共轭匹配时，信号源到放大器之间有最 大的功率传输，此时实际的输入功率定义为资用功率只。 转换功率增益定义为 g = 篙黼燃一毒 都删 坼。石飘丽孬丽雨。i n 叫 用放大器的s 参数和反射系数可表示 g ：坚：噬监! 二世! = 式( 2 1 3 ) u ，= ：i 二。 。 l ( 1 - s 。l ) ( 1 一s 。r 。) 一s 2 1 墨：l l | ( 2 ) 资用功率增益g 。 当信号源和负载端 1 都匹配的时候，就定义为资用功率增益 q 一繁筹一孥一撩黯式( 2 - 1 4 i r ， 4 信弓源的资用功率 只。 ( 1 一 一h l n s ，r 。犷 ( 3 ) 工作功率增益g p 这是设计时较关心的量，定义为 “蒜一专= 遗器 埘s ， 放大器输入的功率j ：( 1 一i r | z ) k 1 一只，r ，) | 2 、7 ( 4 ) 增益平坦度a g 指在一定温度下，整个工作在频带范围内放大器增益的变化范围，以最高增 益与最低增益之间的分贝差来表示 a g 一当4 堑汹) 式( 2 1 6 ) 2 2 3 功率附加效率( p a e ) 功率附加效率是指射频输入功率和输出功率的差值与供给晶体管的直流功 率之比。它既反应了直流功率转化为射频功率的能力，又反应了放大射频功率的 能力嗍。 p a e 一塑等蔫铲 。 式( 2 - t 乃 7 北京邮电大学硕士学位论文 射频功率放大器的研究与设计 2 2 4 工作频段 工作频段是指放大器满足全部性能指标的连续频率范围，放大器的工作带宽 往往需要考虑实际的需求，由于放大器内部的寄生参数均随频率的变化，因此要 保证一定的工作带宽就需要采用适当的补偿匹配网络【1 0 1 。 2 2 5 交调失真 ( 1 ) 交调分量 交调失真是具有不同频率的两个或更多的输入信号经过功率放大器而产生 的混合分量，它是由于功率放大器的非线性造成的。若输入1 个信号，其角频率 分别是m 、鸺、m ，由于功率放大器的非线性作用，输出分量中将包含许多 混合分量聊嵋，l p h ，各分量分别称为( m + 月+ + p ) 阶交调分量。 ( 2 ) 三阶交调系数 当等幅信号输入功率放大器时，输出信号中存在各种阶次的交调分量，其中 三阶交调分量( 2 ( 0 l o i + 1 和( o i + i - 2 ( i ) i ) 和与基波信号角频率( 0 】i 和( 1 ) i + 1 ) 非常接 近，不可能把它从信道中滤除。三阶交调系数定义为 肘，：1 0 1 9 丛：1 0 l g 垒一( c 拙)式( 2 1 8 ) p i p t + 1 式中，p i 和p i + 1 分别对应角频率岫和( 0 i + l 的基波信号输出功率；p 3 是三阶交调频 率( 2 岫一t a i + 1 和2 t o i + 1 啦) 处的三阶交调功率。三阶交调系数是度量微波功率放 大器非线性的一项重要指标。 ( 3 ) 三阶交截点 基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性延长线的交点称为三阶交截 点，用符号i p 3 表示，它的估算公式为 0 1 t 3 - 匕+ o 5 ( 一毛，) 式( 2 1 9 ) 它反映了微波功率放大器的非线性 2 2 6 调幅调相转换( a m - p m ) ( 1 ) 调幅一调相效应 大信号通过微波功率放大器时，输出信号会产生相移，相移大小随输入信号 功率的大小而变化，这种现象称之为调幅调相效应i l l ，埘。 微波功率放大器可以看成是一个三阶非线性系统，它的载波输出信号同时含 8 北京邮电大学硬士学位论文射须功率放大器的研究与设计 有一阶和三阶分量 ( k l a + 三叫3 ) c o s 吖 式( 2 2 0 ) 式中m 为基波信号的角频率：和七，为非线性系统的一阶和三阶系数；a 为基 波输入信号幅度。如果电路中包含容性非线性元件，则一阶和三阶系数之间就有 相位差。由式( 2 2 0 ) 看出，载波输出信号的相位与输入信号幅度有关。显然， 调幅一调相效应是增益压缩直接表现的结果，增益压缩得越厉害，调幅一调相效 应就越强，电路进入饱和状态后，调幅一调相效应将非常严重。 ( 2 ) 调幅一调相转换系数k 。 为了衡量相位失真的大小，引入调幅一调相转换系数 巧；警茄h 地， 式( 2 - - 2 1 ) 式中，为输入信号的功率( m w ) ；0 为对应输入功率昂的输出信号栩移。 2 2 7 邻近信道功率比( a c p r ) 田2 - 5 邻信道和主信道示意图 邻近信道功率比( a c p r ) 定义为邻信道功率与主信道功率的比值，它表征 信道间相互干扰的情况。由于射频功率放大器的非线性，造成频谱扩展，主信道 的功率扩展到相邻信道，从而引起干扰。a c p r 是描述放大器非线性的重要指标。 2 2 8 输入输出驻波比 大功率管的输入阻抗和输出阻抗都很低，b j t 的输入阻抗实部只有几个欧 姆，与5 0 q 系统失配得比较厉害。而m e s f e t 的输入阻抗较高，与5 0 t 2 系统失 配得也很大，失配严重时，会损坏功率管。输入、输出驻波比变坏还会使系统的 增益起伏和群迟延变坏，因此功率放大器的输入、输出驻波比应该满足一定要求。 9 北京邮电大学硕士学位论文射频功率放大嚣的研究与设计 2 2 9 稳定性系数 稳定性系数是放大器设计中重点考虑的参数，它是由有源设备的散射参数、 匹配电路和负载终端共同决定，稳定性分为条件稳定和无条件稳定。 无条件稳定是指不管终端接任何无源负载，放大器都保持稳定。无条件稳定 条件是 k ；型堂尘晕螳，1 i a i 州 式( 2 - 2 2 ) 2 1 s s 1 22 l | 、。 其中a s n s 。一s 1 2 s 2 。，k 为稳定性系数。 2 2 1 0 噪声系数 某一特定点上的信号功率与噪声功率之比，称之为信噪比岱i n ) 。噪声因子 ( f ) 定义为输入端信噪比与输出端信噪比的比值，噪声系数( n f ) 是噪声因子 的d b 表示，常用下式表示 ，= l o l g c 式( 2 _ 2 3 ) 当放大器为多级放大时，第i 级放大倍数为c ( i = 1 ，2 ) ，噪声系数为曩( i = 1 ，2 1 ，则总的噪声系数为 啼等+ 嚣蔷去 船柳 2 3 射频功率放大器的记忆效应 2 3 1 记忆效应 记忆效应指的是与带宽有关的非线性效应，带记忆效应的射频功率放大器产 生的三阶交调分量将随输入信号的幅度和信号频带发生变化。记忆效应包括电记 忆效应和热记忆效应电记忆效应主要由节点的阻抗随频率的变化而引起，而热 记忆效应是由芯片工作时温度发生变化引趔1 4 l 。 2 3 2 记忆效应的影响 由图2 - 6 所示，记忆效应将会使射频功率放大器三阶交调分量的幅度和相位 1 0 北京郎电大学硕士学位论文暂叛功率最大番的研究与设计 随输入信号的频率发生变化。其中，在低频段主要受热记忆效应影响，而在高频 段主要受电记忆效应的影响 记忆效应不仅对射频功率放大器本身的线性度产生影响。它还将增加使用外 部电路改善放大器的线性度时的难度。如使用数字预失真线性化方法时，需要精 确获得失真分量的幅度和相位。假如实际的i m 3 分量随着调制频率旋转，如图 2 - 6 ( b ) 所示，则补偿的失真分量也需要随着调制频率旋转，这就增加了预失真电 路的计算量和复杂性。如果可以减少记忆效应，则可增加数字预失真线性化方法 的带宽。 i m 3 的丰i i 位 f “， 双裔信弓 尤记忆放应 磊三淼电淝忆岁 热记忆傲成的影响 y 一 一i m 3 l f f f 厂，t m 3 h 图2 - 6 记忆效应对i m 3 的影响 2 3 3 从板级电路角度改善记忆效应 引起电记忆效应的主要因素是节点的阻抗随输入信号的频率发生了变化，良 好的匹配网络和偏置电路将最大程度地减少记忆效应【1 5 1 b1 7 堋。 ( 1 ) 直流偏置电路设计 由于偏置电路经常使用电感和电容来滤除高频杂波，l c 网络一般时间常数 都很短，这就容易引起短时间常数的电记忆效应，对于温度敏感性器件，尤其是 晶体管，很容易引起长时间常数的热记忆效应。为了克服电记忆效应，经常使用 图2 - 7 所示的偏置电路。而为了克服热记忆效应，又经常使用图2 - 8 所示的偏置 电路，晶体管t 2 集电极上的电压随温度变化，导致整个直流偏置电压自动随温 度调整。 1 1 北京邮电大学硕士学位论文射频功率放大霉的研究与设计 i h l 图2 7 减少记忆效应的偏置电路 ( a ) 栅极偏置电路；( b ) 漏极偏置电路 图2 - 8 带补偿温度变化的直流偏王电路 ( 2 ) 匹配电路设计 在整个频带内电路的阻抗均保持为常数时，电记忆效应将减至最小，但实际 上晶体管的温度变化特性将不可避免地产生电热记忆效应。借助射频电路仿真软 件a d s 或m i c r o w a v eo f f i c e ，利用阻抗综合的方法可以设计宽带匹配电路。 2 4 射频功率放大器的设计要求 功率放大器的一个主要特点是工作在大信号的非线性状态。射频功率放大器 与小信号放大器不同，作为功率放大器应该有较大的输出功率和效率，同时满足 带宽、线性度、增益和稳定性要求。如果是功率放大器组件，其增益由多级放大 器实现，通过合理的增益分配，将多级级联起来，则放大器的级间匹配，总体增 益，频率响应特性和稳定性都需要统筹考虑，因此功率放大器的设计要复杂得多。 下面几个方面应当重点注意。 ( 1 ) 合理选择晶体管是设计中的首要环节。晶体管的使用频率、功率、放 北京邮电大学硕士学位论文射频功事放大嚣的研究与设计 大效率、频带、稳定性和i p 3 等性能都要考虑。 ( 2 ) 选择合适的工作状态。射频功率放大器的工作状态主要由功率、效率、 失真度等性能来决定。即要提高线性度又要兼顾效率，一般多采用a b 类放大。可 采用典型可靠的电路、合理分配增益、减少放大器的级数，甚至慎用线性化技术， 以便降低故障率。 ( 3 ) 精心设计匹配网络。由于功率放大器处于非线性状态。因此谐波和交 调分量严重，因此匹配网络除了具有阻抗变换的作用外，还起滤波器的作用，所 以必须仔细设计。合适的匹配网络可以大大提高放大器的各项性能。 ( 4 ) 了解功放在大信号工作下一些独有的特征，设计线性功放时多加注意。 要考虑到放大器的稳定性特性，过激效应，寄生参数、温度特性和安全性等。 2 5 射频功率放大器的设计方法 本文主要使用a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 来设计射频功率放大器电路。 a d s 是a g i l e n t 公司推出的一套专门针对微波射频系统的电子设计自动化软件。 由于功率放大器是一个典型的非线性器件，非线性电路的设计方法主要是谐波平 衡法( h a r m o n i cb a l a n c e ) 。此外本节还介绍了放大器的宽带稳定性设计和匹配网 络设计。 2 5 1 谐波平衡法 谐波平衡法是使用频域的方法精确求解非线性电路和系统的稳态解，是求解 射频和微波问题的非常有效的方法。谐波平衡法需要把电路分成两个子电路，这 两个子电路用线相连，构成了多口。一个子电路包含电路的线性元件，另一个仅 包含有非线性器件模型参数，如图2 - 9 所示。器件的线性寄生参数被考虑进入线 图2 - 9 谐波平衡电路描述 性子电路。源和负载都被集中于一个单独的多口网络中。线性与非线性的n 根 线连接两个子电路，并定义对应的节点。流出一个子电路的电流必须等于流入另 一个子电路的电流。每根线上匹配的频率分量满足电流连续性方程。在每根线上 用迭代过程计算电流，结果得到的依从性( 函数关系) 要满足两侧线性与非线性 的所有电路。 非线性子电路可用一组非线性方程描述 北哀弗电大学磺士学位论文射频功率放大嚣昀研究与设计 i a t ) 一，【u ( f ) ，v 2 ( t ) ，v ( f ) 】 式( 2 - 2 5 ) 式中，f 是一个任意的非线性函数( 可能包括微分和积分) ；也是第七个端口 的电流和电压。线性子电路的响应可由线性分析法在频域的每个谐波分量上进行 计算，可由一个n ( n + m ) 矩阵描述。m 个附加的额外变量是外接的电压源 或电流源的连接结点。在输入信号包含w ，2 w ，k w 总和情况下，有k + 1 矩阵， 结果口电压和电流间的矩阵关系可以表达为 f h ( m 1 i ； i = 【( 加，j h 1 1 ( b h 1 2 ( b h 1 m 朋) ( h 2 1 ( h e ) h 2 2 ( k w ) h 2 ( ( h d ； h n l h n 2 h 俐1 ( m i 2 ( k w ) t n 。m 、 式( 2 2 6 ) 式中，h 。( i w ) 是阻抗或传输比，该变量依赖于哪个口的电压与哪个口的电流之 比，k = 0 ，1 2 k 。谐波平衡法程序就是找到式( 2 - 2 5 ) 和式( 2 2 6 ) ，在h ，y 。 下得到，i 2 ，f 。一个同时解。 v | 图2 - 1 0 说明了谐波平衡法应用于三端m e s f e t 器件的情况。m e s f e t 器件 代表仅有的非线性元件，而所有其它的参数、匹配输出网络都归并入线性子电路。 选择“源”端作为参考，所以n = 2 。这里电压h 和h 是独立变量，电流 和也是独立变量，此外应用了外加电压源k 和k 。结果，流过负载的电 流或负载两端的电压，一旦和f ，确定即口丁迅速地求得。因为式( 2 2 5 ) 是时 域表达式，而式( 2 - 2 6 ) 则是频域表达式，因此需要用傅里叶变换来完成时域到 频域的转换。开始计算时，估计i j o ) 和v i ( f ) ，一1 2 ，n 的初始值。再利 用傅里叶变换完成式( 2 2 5 ) 时域到频域的转换，以得到式( 2 2 5 ) 所用的频域 分量，直到一个变量组的“自相容”，以使电流连续性获得满足。 额域一 i 时域 i 圈2 - 1 0 谐波平衡法应用于三端m e s f e t 器件 1 4 北京邮电大学壤士学位论文射簇功率放大器的研究与设计 2 5 2 宽带稳定性设计 振荡可能会给电路带来很严重的后果。因为，当发生振荡时，小信号s 参数 不再适应，使用小信号s 参数设计的电路也就不正确了；振荡的电路会加大噪声； 即使发生振荡的频率远低于放大器的通带频率，振荡产生的信号也会和输入信号 混频，从而使输出信噪比增大；而且，振荡也有可能破坏设备。所以我们设计放 大器时，需要采取一定的措施，使放大器在任何频率都不会发生振荡。 使电路稳定的最好方法就是消除网络存在的正反馈，我们可以通过串联或并 联电阻，或者增加负反馈的方式来增加电路的稳定性。 ( 1 ) 使用c a d 软件寻找使电路稳定的最小电阻 通过寻找与稳定圆图相切的等电阻圆图和等电纳圆图，很容易找到需要的最 小级联电阻。首先利用a d s 的s 参数仿真得到源和负载的稳定性圆，如图2 1 l 所不，输入稳定性圆与源稳定性圆十目交，相交区域即为潜在不稳定区。 - t q j 却脯 么念 f _ 一) u 图2 - 1 1 输入输出稳定性源 再通过史密斯圆图获得在输入输出端口所需要并联或串联的电阻，如图2 - 1 2 所示。与稳定圆图相切的等电阻圆图的电阻为。，潜在不稳定区的电阻均小于 。i n ，因此电路串联。；。z 。后，可使电路处于绝对稳定。同理，与稳定圆图相切 的等电纳圆图的电导为以。，并联邑。k 可使电路处于绝对稳定另外，串联 电阻和并联电阻对增益的影响是一样的。 北京邮电大学磺士学位论文射频功率放大器的研究与设计 图2 1 2 用史密斯圆图计算绝对稳定需要串联或并联的电阻值 ( 2 ) 宽带稳定性设计 通过串联或并联一个电阻，可以使潜在不稳的电路稳定，但同时牺牲了增 益和噪声特性，增加级联稳定电阻会降低所有频率的性能，使用频率选择性网络 如r l 、r c 可以改善某一段频率的稳定性，而不会降低其它频率的性能【2 9 1 。如 图2 1 3 所示： c 。 图2 - 1 3 多元素稳定用络 ( a ) 可以用来稳定低频电路，而对高频的增益特性影响不大，( b ) 并联r l c 电 路可以同时用来稳定低频和高频电路，而对中间频段的增益特性影响不大c o ) 也适合作为低频电路的稳定性网络 ， 2 5 3 宽带匹配设计 共轭匹配可以保证单个频点的最大增益传输，要实现单个频点的共轭匹配， 只需要一个l 型匹配网络或, f f 型匹配网络即可。对于宽带射频功率放大器， 既要保证最大的增益传输，又要保证宽带内的增益平坦度，就需要设计宽带匹配 网络1 1 9 。2 s 。 宽带匹配网络的设计难点主要有三个： 北京鄄屯大学硬士擘位论文射频功率放大嚣的研究与设计 ( 1 ) 建立匹配网络拓扑图。拓扑图的元素一般选择微带线和电容，因为电 阻和电感元件在高频段的等效串联电阻非常大，这对微波信号来说，消耗的功率 将会非常大。建立网络拓扑图的方法很多，可以简单地使用两个型网络，也 可以使用混合的型和刀型的网络。这里简单介绍一种利用史密斯圆图，按 照最小q 值原则建立的匹配网络拓扑图。对于一个输入阻抗为 z h r s + j x 。 的节点，其节点的q 值为 q = 阻i r 式( 2 2 7 ) 式( 2 2 8 ) 在史密斯圆图上，q 的曲线是一个以( 0 ，一1 q ) 为圆心，x l + l q 。2 为半径的 圆。匹配网络的q 值由每一个节点的q 决定，因此要增加带宽，需要尽量减 小q 值。而源的g 值和负载的q 。值中的最大值即为电路可实现的最小的 q 值。 以建立级1 1 日j 匹配网络为例：建立匹配网络拓扑图的步骤为：首先找出前级的 输出阻抗z 。和后级的输入阻抗z 。；在史密斯圆图上分别标示出z 。和 2 0 的点，并描示出最小的q 值曲线( 也即为z 。和z 。的最大q 值曲 线) ；在由最小的q 值曲线构建的范围内，添加适当的微带线和电容，以使z 。 和z 。共轭匹配。将这些微带线和电容作为初始的匹配网络拓扑图。 ( 2 ) 以初始的匹配网络拓扑图的参数为自变量，建立目标函数。目标函数 和设计要求有关，可以是传输增益，也可以是附加功率效率。这个过程可以使用 谐波平衡的方法，在a d s 中很容易实现。 ( 3 ) 按照设计要求优化目标函数。如果设计要求是整个频带内的增益平坦 度。则可以将优化条件设为 g f msg fs g r 一 式( 2 - 2 9 ) q 。、g 一为整个频带内允许的最小和最大增益。+ 利用谐波平衡仿真，即可获 得满足要求的匹配参数，从而得到最优的宽带匹配网络。 2 6 本章小结 在射频微波频段，需要用传输线理论来分析信号线上的分布参数，由于对于 交流信号的短路和开路很难在微波频段范围内实现，因此微波频率下的二端口网 络需要用散射矩阵来描述。射频功率放大器的技术指标主要包括输出功率、功率 增益和增益平坦度、功率附加效率、工作频段、输入输出驻波比、稳定性系数、 噪声系数等，用来描述非线性参数的主要有交调失真、a m p m 、a c p r 等。由 1 7 北京邮电大学硕士学位论文 射频功率放大器的研究与设计 于记忆效应的影响，交调失真的幅度和相位随输入信号的频率发生了变化，这不 仅对射频功率放大器本身的线性度产生影响。它还将增加使用外部电路改善放大 器的线性度时的难度。随后，提出了射频功率放大器的设计要求，首先要选择合 适的晶体管，确定晶体管的工作状态，设计良好的匹配网络，考虑放大器的稳定 性特性，过激效应，寄生参数、温度特性和安全性等。功率放大器是典型的非线 性器件，本章介绍了其中一种非线性电路的设计方法一谐波平衡法，谐波平衡法 是使用频域的方法精确求解非线性电路和系统的稳态解。此外还对宽带稳定性设 计和宽带匹配网络的设计进行了详细的分析。 北京邮电大学硬士学位论文射频功率放大器的研究与设计 第三章射频功率放大器的电路设计 本文设计了一个应用于w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 基站的射频功率放大器 ( r f p a ) 。从晶体管的选取开始，经过对晶体管进行直流工作点仿真、偏置电路 设计、交流仿真、匹配电路设计和优化、谐波平衡仿真，得到了功率放大器的工 作点偏置、s 参数、输入电压、输出电压、功率附加效率( p a e ) 、增益( g a i n ) 、1d b 增益压缩点以及三阶交调截止点( o i p 3 ) 等放大器的特性指标。 3 1 设计目标 设计预失真功率放大器的功放模块，这部分的性能是整个预失真放大器的基 础，因此，高线性、高效、高增益、高输出功率是其主要的设计原则。需要满足 的指标如下： 工作频率范围：2 1 1 0 m h z 2 1 7 0 m l z ： 工作电压：d c 2 8 v 输出功率：4 4 8 d b m ( 3 0 2 w ) 增 益： 6 0 d b 效 率： 2 2 工作频带 带内波动：x - - 0 5 d b a c p r： 4 5 d b m 输入l d b 压缩点： 7 d b m 信号峰均比：8 5 d b 外形尺寸： 2 0 0 x1 0 0 ( m m ) ( 待斟酌) 输入输出接头：s m a 阴头 稳定性：从0 1 - r 6 g l - i z 范围内保证绝对稳定 北京邮电大学硕士学位论文射频功率放大嚣的研究与设计 3 2 器件选型和功率分配 射频功率放大器一般使用三级，即前置级、驱动级和功放级。各级电路将根 据功率放大器的工作频段、增益、输出功率和线性度指标选择合适的放大芯片。 ( 1 ) 功放级芯片选择 功放级主要考虑输出功率和效率，本设计选择了飞思卡尔( f r e es c a l e ) 公司 专门为w c d m a 基站设计生产的n 沟道增强型l d m o s 场效应晶体管 m r f 5 p 2 1 1 8 0 r 6 。 该晶体管工作频段在2 1 1 0 m h z 2 1 7 0 m h z ，平均输出功率为3 8 瓦 ( 4 5 8 d b m ) ，效率为2 5 5 ，增益为1 4 d b