（电磁场与微波技术专业论文）通信高功率放大模块设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 现代无线通信系统在宽带、高数据速率应用上取得了明显的进步，但其所用信号的 调制方式要求放大器能线性放大高峰均t ：l ( p a r ) 信号。功率放大器是基站系统中最耗能 的元件，不幸的是，通常的线性放大器在远离最大输出功率时效率很低。急需有效的 措施提高放大器线性工作区的效率，特别是低功率( 功率回退p a r ) 区域，同时要求结 构简单，性能稳定。 多赫尔蒂( d o h e r t y ) 放大器能使放大器在较宽的输出功率范围内保持较高效率的结 构。主要由一个a b 类和c 类放大器构成，结构简单。本文在分析了基本放大器的理 论与关键指标的基础上，对d o h e r t y 放大器的原理、结构、发展方向进行了详细讨论。 最后结合项目背景，完成了额定输出功率为5 0 3 d b m 的基站放大模块的设计，用于p a r 为6 0 d b 的4 载波g s m 9 0 0m i - i z 信号的放大。作者主要负责模块射频放大部分的设计， 包含推放、不均分功分器、末级d o h e r t y 放大器的设计。额定功率时模块效率大于3 8 ， 测试数据表明模块带内增益为5 8 5 d b 基于目标阻抗的设计方法，结合c a d 软件，对 末节功放进行了详细的原理图和电磁场仿真，然后进行制版与实际测试，得到了要求 的性能。 本文的主要设计与调试工作都集中在末级功放上。对末级放大器的小型化、视频 带宽( v b w ) 等性能进行了特别设计，同时将主功放与辅助功放的功分比调整为1 ：1 2 ， 以提高放大器的效率与功率性能。末级功放的的效率达到4 5 5 ，较普通a b 类放大器 提高了约6 个百分点，以i m d 不对称性达到2 d b 标准衡量的视频带宽为3 2 m h z ，较 d a t a s h e e t 性能提高了一倍。 关键词功率放大器；d o h e r t y ；功分器；视频带宽；小型化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h ec u r r e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v em a d es i g n i f i c a n tp r o g r e s st o w a r d w i d eb a n da n dh i g h - d a t a - r a t ea p p l i c a t i o n s ，b u tt h eh i g hp e a k t o a v e r a g er a t i o ( p a r ) s i g n a l s r e q u i r el i n e a r l ya m p l i f y p o w e ra m p l i f i e ri st h em o s te n e r g y - i n t e n s i v ec o m p o n e n t si nb a s e s t a t i o n s y s t e m u n f o r t u n a t e l y , t h ee f f i c i e n c yo fl i n e a ra m p l i f i e r i s u s u a l l yv e r yl o w ， e s p e c i a l l yf a ra w a yf r o mt h em a x i m u mo u t p u tp o w e rp o i n t e f f e c t i v em e a s u r e sa r eu r g e n t l y n e e d e dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yf o rt h el i n e a ra r e a ( p o w e rb a c ko f fp a r ) ，a l s oa s k e da s i m p l es t r u c t u r e 、s t a b l ep e r f o r m a n c e d o h e r t ya m p l i f i e rc a nk e e ph i g he f f i c i e n c yo v e ra ne x t e n d e dp o w e rr a n g m a i n l y s i m p l yc o n s t i t u t e db yac l a s sca n dc l a s sa ba m p l i f i e r b a s e do nt h ea n a l y s i so f b a s i cp o w e r a m p l i f i e rt h e o r ya n dk e yp e r f o r m a n c e ，t h ed o h e r t ya m p l i f i e r sp r i n c i p l e 、 s t r u c t u r e 、 d e v e l o p m e n tw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l y , u n d e rp r o j e c tb a c k g r o u n d ，ab a s es t a t i o n a m p l i f i e rm o d e l ，5 0 3 d b ma v e r a g eo u t p u tp o w e r , u s e df o rt h e6 0 d bp a r4c a r r i e rg s m 9 0 0 m h zs i g n a l sa m p l i f i c a t i o n ，h a sb e e nc o m p l e t e d t h ea u t h o r sm a i nt a s ki st h er fa m p l i f y p a r td e s i g n ，i n c l u d i n gd r i v e ra m p l i f i e r 、u n e v e np o w e rd i v i d e r 、t h ee n ds t a g ed o h e r t y a m p l i f i e rd e s i g n e f f i c i e n c yo ft h em o d e li sm o r et h a n3 8 w h e nw o r ka ta v e r a g eo u t p o w e r t h em o d e lg a i ni s5 8 5 d bu n d e rt h et e s tr e s u l t b a s e do nt h et a r g e ti m p e d a n c ed e s i g n m e t h o da n dc a ds o f t w a r e ，s c h e m a t i ca n de l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n ，p c ba n dp r a c t i c a l m o d e lh a sb e e n a c c o m p l i s h e d t h ea c t u a lt e s t i n gp r o v e st h em o d e lh a sr e q u i r e d t h em a i nd e s i g na n dk e yo ft h i sw o r kh a sb e e nf o c u s e do nt h ef i n a ls t a g ea m p l i f i e r t h e a m p l i f i e r ss m a l ls i z e ，v i d e ob a n d w i d t h ( v b w ) a n do t h e rp r o p e r t i e sh a v eb e e ns p e c i a l l y d e s i g n e d i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dp o w e ra m p l i f i e rp e r f o r m a n c e ，t h ep o w e r d i v i d e rr a t i of o rm a i na m p l i f i e ra n dp e a ka m p l i f i e rh a sb e e na d j u s t e dt o1 ：1 2 t h ee f f i c i e n c y o ft h ef i n a la m p l i f i e rr e a c h e d4 5 5 c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yc l a s sa ba m p l i f i e ri n c r e a s e d b ya b o u t6p e r c e n t a g ep o i n t s v i d e ob a n d w i d t hi s3 2 m h zu n d e rt h ed e f i n i t i o no f2 d bi m d a s y m m e t r y k e y w o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r ；d o h e r t y ；p o w e rs p l i t t e r ；v i d e ob a n d w i d t h ；m i n i a t u r i z a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位敝储签名锄谚指剥币虢 日期：毋。o 易、，日期：洲p 多谚睇 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 ) 设计了一款输出额定功率为5 0 3 d b m 的放大器模块，用于p a r 为6 0 d b 的 g s m 9 0 0 m h z 下行射频信号放大，模块效率大于3 8 ； 2 ) 将视频带宽( v b w ) 引入到放大器模块设计中，使放大器模块更容易与d p d 友好配合； 3 ) 使用基于目标阻抗的设计方法，使设计快速、与实际误差小而且能指导实际调 试； 4 ) 通过在模块的适当位置，添加四分之一波长线，提高模块的防静电性能。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 签名和1 9 ： 日期：毒0d f 1日期：口od ，i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 在第一代移动通信系统中( n m t ) ，采用了恒定包络的调制方式，末级功率放大 器可以工作在饱和点附近，此时放大器效率较高；在第二代移动通信系统g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 中，采用了时分双工，并仍然采用了高斯滤波最小 频移键控( g s m k ) 恒定包络调制，由于存在突发时隙功率渐升降( p o w e rr a m p i n g ) 的 问题，对线性度的要求稍高，这会稍微损失一点效率，但是考虑到p a 只在八分之一的 时间内是处于工作状态的，因此，p a 效率对整机效率的影响程度大大降低了；在第三 代移动通信系统( 以下简称3 g ，包括t d s c d m a ，w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 等) 中，为 了提高频谱效率，采用了复杂的调制方式，比如q a m 、q p s k 、o f d m 等，它们不但 相位包含了信息，其幅度也包含了信息，同时由于使用多载波技术，这些调制技术得 到的调制信号的峰均比较高，3 g 中调制信号的峰均比( p a r ) 主要在5 d b 到9 d b 范围 内，为了保证线性放大信号，通常采用的方法是让放大器工作在远离饱和功率点的区 域，这样，传统的基站放大器的效率将降的非常的低，并带来一系列的问题，如散热、 基站营运成本等。 解决上面问题的方法有“效率增强”技术，在上世纪上半叶，由于短波真空晶体 管发射出数万瓦的功率，为了降低营运成本和系统的热管理问题而提出。这时比较著 名的结构有3 种【l 】：如c h i r e x 于1 9 3 5 年提出的“o u t p h a s i n ga m p l i f i e r ”技术； w h d o h e r t y 于1 9 3 6 年发明的多赫尔蒂( d o h e r t y ) 放大器结构技术【2 】；k a h n 在1 9 5 0 年发明的包络消除与重构技术( e n v e l o pe l i m i n a t i o na n dr e s t o r t i o n ，e e r ) 【3 】技术；另外 还有现在应用较广的可与数字技术结合使用的包络跟踪技术( e n v e l o pt r a c k i n g ，e t ) 【4 】、 e 类 5 6 】、f 类【7 8 】放大器等技术。以上技术有着各自的优点和长处，其中d o h e r t y 技术 以其结构简单，适合与线性化技术配合的优点，在通信基站放大器中得到广泛应用【9 】。 d o h e r t y 结构的放大器可以较好的解决功率放大器在功率回退时的效率提升问题， 结合前馈或预失真电路【1 0 j 【1 1 儿1 2 j ，可以在线性度和效率之间做到较好的兼顾，d o h c r t y 电路的基本原理是将输入信号在低功率时单独放大，并把放大器匹配到高效率区，确 保其在低功率区的高效率，在高功率区时信号通过两个放大器一起放大，同时这时放 大器匹配到高功率阻抗区，这保证了放大器有足够大的输出功率，线性性能也不会明 显恶化。d o h e r t y 结构放大器的核心在于阻抗调制技术，主要由一个载波放大器和一个 峰值放大器组成，其中峰值放大器偏置在深a b 类或c 类，导致d o h e r t y 放大器线性 性能稍差，需要与其他线性化技术如数字预失真( d p d ) 技术配合使用，当与d p d 配 合使用时效率可达4 0 以上。由于d p d 技术的发展，现在基站功率放大器中普遍采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 这种架构，成本和难度也相对前馈技术来说有很大的优势，更有利于批量生产。因此 在现阶段，d o h e i t y + d p d 成为通信基站功率放大器的主流【j j j 【j 叫架构。 随着3 g 基带信号频带越来越宽，放大器记忆效应的重要性被突出，正如前面提到， 现阶段基站放大系统的主流架构是d o h e r t y + d p d ，d p d 系统能在一定程度上改善 d o h e r t y 放大器的线性性能，由于现阶段数字技术的限制，d p d 采用的算法对放大器的 记忆效应引起的失真的线性化效果很不理想，所以，这会给功率放大器的设计带来新 的问题，即在射频层面上尽量的减小放大器模块的记忆效应，使其能与d p d 系统友好 配合。这不仅需要对晶体管在芯片层面上进行改进，而且需要在设计中注意很多问题。 1 2 国内外研究现状 目前，基站放大器的研究主要集中在d o h e i t y 架构上，其最主要的目标是尽量的实 现高功率、高效率、高线性度。在i e e e 库中，若把搜索条件限制为“d o h e r t y 和 “a m p l i f i e r , 并且只搜索“j o u r n a l s , 从2 0 0 0 年到2 0 1 0 年的论文就有5 6 篇，研究主要 集中在不对称d o h e r t y i l 5 】【1 6 】17 1 ，反向d o h e r t y 18 1 ，多路d o h e r t y l l 92 0 1 ，f 类放大器在d o h e r t y 架构中的应用等【2 ”2 1 ，大部分是希望在更宽的输出功率范围内得到效率的尽量提升， 小型化等。而线性化部分由于d p d 技术的可移植性强，与射频理论联系不紧密的特点， 基本可以看作独立于d o h c r t y 放大器以外的分支。 基站放大器的性能不断提升，更重要的是来自市场需求的驱动。工业界对d o h e r t y 放大器的研究也很热衷，由于现代通信对宽带，高速率通信要求非常迫切，而基站的 整机效率以及线性度似乎和这些发展趋势都是矛盾的，学术界通过多种方法来实现现 代通信的要求，单放大器的效率与线性度两个指标就发展出两大分支，即效率增强技 术和线性化技术。随着技术的发展，基站放大器的性能不断提高，归纳起来主要来自 于以下方面的改进： l ：功率器件方面：功率器件是基站效率与线性性能改进的根本，无论是用什么软 件，什么放大器架构或线性化方案，都只是最大的发掘晶体管的性能，所以功率晶体 管对基站放大器的性能具有决定意义。现在基站末节放大器基本都是边缘扩散金属氧 化物( l d m o s ) 晶体管，l d m o s 晶体管最初由摩托罗拉专为大功率放大器设计，由 于其优异射频性能，高线性、高功率、高增益、高效率的特点，在广播、雷达、基站 等射频大功率设计中广泛应用，频率范围主要应用于4 5 0 m h z 到2 5 g h z ，主要厂家有 飞思卡尔、恩智浦、英飞凌。对于基站l d m o s 晶体管，主要发展方向为较大的功率 输出、更适合与d p d 配合、低漏极静态电流、较大的最优阻抗、较宽频带、更宽的视 频带宽等。同时随着计算机技术的发展，这些公司都能提供精度很高的器件模型，以 实现放大器的快速设计； 2 ：射频理论与设计方面：基站放大器结构经历过a b 类放大器、平衡类放大器、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 d o h e r t y 架构、d o h e r t y 与数字预失真一起使用等阶段。尽管射频基本理论已很成熟， 但实际应用中总在不断改进。当前基站放大器的效率主要受制于线性性能的要求，随 着线性化技术的发展，效率更高的开关类放大器技术，如f 类，将会引入到实际应用 中，从而得到更好的效率性能； 3 ：软件设计：由于射频电路中大量应用微带结构，微带线的分布参数性能较为明 显，所以射频电路很难微调。特别是对指标要求严格的放大器中，噪声系数、带宽、 增益平坦度和波动、输出功率、效率、增益、可靠性等指标互相矛盾，联系紧密。所 以设计时需要综合考虑，提高了设计难度。通过计算机辅助设计( c a d ) 技术，可以 使设计更加有效。这些软件集成了很多有源器件和无源器件的数学模型，随着器件模 型精度不断提高和计算机计算性能的发展，工程师可以在很短的时间内得到和实际模 型很接近的仿真结果。软件由于运算的优势，可以通过大量的运算，对电路进行优化， 这是实际调试中很难进行的工作。 4 ：线性化技术。由于随着新的调制技术的发展，线性性能成为功放非常重要的指 标，所以线性化技术得到了明显的发展，最初的前馈技术、功率回退技术、极性环、 笛卡尔环等方法都是基于模拟设计，可移植性很差、且系统复杂、体积庞大。随着数 字技术的发展，e e r 技术，d p d 技术获得了快速的发展，基于数字技术的线性化方案 最大的特点是可移植性强，可以用于不同频率，不同功率水平的模块，使成本降低。 1 3 本文的主要工作及论文结构 本课题实现了一个额定5 0 3 d b m 的g s m 基站功率放大器模块的设计，其主要技 术指标如下： 1 模块的额定输出功率为5 0 3 d b m ，用于p a r 为6 0 d b 的4 载波g s m 9 0 0 m h z 下 行信号放大； 2 在额定功率条件下，效率大于3 8 ； 3 带内增益不平坦度小于1 5 d b ； 4 输入驻波小于1 5 ； 5 模块增益5 8 d b ，正负波动2 d b 。 本设计中，主要完成的工作有： 1 d o h e r t y 放大器的仿真设计、推放、不等分功分器的设计； 2 对模块的静电保护( e s d ) 提出了新的有效方案； 3 从射频角度，对d o h e r t y 放大器与d p d 配合问题上进行了讨论，主要通过增加 放大器的视频带宽( v b w ) 达到减小放大器记忆效应的目的； 4 为了适应模块尺寸要求，对偏置、匹配节进行了小型化处理； 本文的论文结构安排如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第一章绪论。介绍了本课题研究背景和意义以及国内外研究现状，本论文的研 究内容； 第二章主要介绍功率放大器的分类，关键指标及相应的设计方法，基于目标阻 抗的设计方法和偏置设计中需要考虑的问题和视频带宽； 第三章主要介绍d o h e r t y 放大器的理论知识与新型结构，对当前应用广泛的 l d m o s 晶体管进行了讨论； 第四章驱放、功分器、d o h e r t y 放大器的设计，完成课题的射频指标的仿真与投 板，通过借鉴放大器的偏置设计方法，提出了一种抑制偶次谐波和防静电的结构并应用 于实际设计的模块； 第五章测试部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章功率放大器基本理论 2 1 放大器的分类 按照不同的原则，放大器有多种分类方式，最常见的是按放大器的导通角大小， 可以分为a 、a b 、b 、c 几类，如图2 1 所示： 图2 - 1 按导通角对放大器分类 这几种放大器在性能指标上看主要在效率上能表征出来，a 类效率最差、c 类最 佳、a b 及b 类则次之。从线性度的角度而言，通常情况下a 类最好，a b 类次之，但 由于芯片技术的发展，a b 类有时能得到比a 类更好的线性性能【2 3 】 从基站放大器模块的角度，将放大器划分为低噪放、推动放大器、功率放大器更 为合适，因为这种分类方法与实际联系更加紧密，而各自的设计方法也很不一样，应 用目的也不相同。低噪放主要用于第一级设计，其主要作用是保证整个链路的噪声保 持在一个较低的水平，其输入级是噪声匹配，输出级是增益匹配，代表芯片有惠普的 5 4 1 4 3 晶体管。推动放大器通常用于需要高增益的情况，输入输出都是增益匹配。功率 放大器通常是在放大链路的末端，主要目的是得到较大的功率输出，匹配时输入为增 益匹配，输出为功率匹配。在通信领域推动放大器与功率放大器的晶体管主要生产厂 家有飞思卡尔、恩智浦、英飞凌。 2 2 放大器的主要指标与设计原则 在进行放大器指标讨论前，先确定放大器中的几个阻抗关系量： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 i si 。l z sz l 图2 2 放大器中阻抗定义 如图2 2 所示：z 。0 p t ，z o p t 为通过仿真，希望晶体管能看到的最优源阻抗和负载阻抗； z s 和z l 为晶体管设计成放大器后通过匹配网络，所看到的源阻抗和负载阻抗；z a s 和 z a l 为放大器的源和负载阻抗，通常为5 0 欧姆，但在d o h e r t y 网络中z a l 是变量。 功率放大器的的主要指标是增益、功率、效率，这是功率放大器的最核心的三大 指标，带宽，增益平坦度，输入输出驻波性能，线性度等指标也很重要【2 4 1 。 1 。增益及增益匹配： 功率放大器的增益可以用s 参数表示，实际上是由晶体管所看到的输入输出阻抗所 决定的。放大器的增益有多种定义，如转换功率增益q ，工作功率增益g ，资用功率 增益g 。等2 5 1 。按照图2 3 中对各参数的定义，得到各功率增益可以表示如下： z 。z l 。a d 图2 - 3 a ) 晶体管s 参数测量 广t p a v n f r j l p a v s p h 呛小ly 以食舻 人 i i一、 t r a n s l s t o r 图2 3 b ) 放大器功率关系 o f t 2 r a z a r sr 瑚 z sz i n r o u tr l z o l i tz l 图2 - 3 c ) 放大器的反射系数与阻抗 r b z b 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 q=pavn=丽1-ill21-ff 阱器f ( 2 1 ) 。i伽s l 川圳1 1 一是：l 1 2 、7 q = 乏= 而1b 1 2 器 ( 2 - 2 ) q = 每而1 - 1 r 一, r s i 姘i 南 ( 2 - 3 ) 式中f ；一晶体管所看到的输入匹配网络的驻波系数； r 工一晶体管所看到的输出匹配网络的驻波系数； f 抽一从晶体管输入端e l 所看到的晶体管、输出匹配和负载阻抗级联网络的驻 波系数； r 删一从晶体管输出端e l 所看到的晶体管、输入匹配和源阻抗级联网络的驻波 系数 在单向化设计中，假定s 1 2 很小，接近0 ，则转换功率g t 可以表示为： g n j = g r 删= 岛阮1 2 嵩叫i 蚶i 牛g ( 2 - 4 ) 令 e = 晶 p 5 ， q = 嵩 亿6 ， l 1 1 一l 1 2 一 则： = g 宰i 是。1 2 宰g l ( 2 7 ) 式中g r 源失配增益； q 一负载失配增益； 这三个量放在图2 3 ( a ) 中较容易理解，是。为晶体管内部增益；晶体管s 参数测量 时，输入阻抗z 眦。与5 0 欧姆信号源阻抗会有失配导致功率反射，增益降低，当设计 放大器时，如图2 - 3 ( c ) 所示，会加入匹配网络，此时晶体管输入端的失配程度会较s 参 数测量时有所减小，这种因失配程度的变化导致的增益变化用g s 表示。同理，g l 原理 对本文所用推放晶体管m w 7 i c 9 3 0 的增益进行讨论： f r e q m a ) g a i n l s ( 2 1 ) 9 4 0 0m h z 3 9 0 7 3 d b 3 5 3 4 2 d b 图2 _ 4 m w 7 i c 9 3 0 晶体管的最大增益与s 2 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 匿we-zo i ”7 h 7 一 一蚴 ? 9 d 口2 d c l r p t s ( 00 0 0t o5 1 00 0 0 ) c i r _ p t s ( 0 0 0 0t o5 10 0 0 ) 图2 - 5 m w 7 i c 9 3 0 等g 、瓯圆 上面两图可以看出，当源和负载阻抗为增益匹配时，g l 最大值为3 7 0 9 8 4 d b ，g s 最大值为0 0 0 2 7 5 0 d b ，s 2 1 为3 5 3 4 2 d b ，三者相加与放大器的最大增益刚好相等。 从上面的分析中可以得到如下结论：实际设计中，放大器的的增益由g l ，g s 决定。 用相同晶体管，一旦偏置和频率确定，不同匹配设计出的放大器若增益不同，其原因 就在于g l ，g s 由于匹配的不同而有所变化。从g l ，g s 的公式可以看出，放大器的的 增益本质上由晶体管所看到的输入输出阻抗所决定，即使匹配拓扑不同，只要匹配到 的阻抗相同，就能得到相同的放大器增益性能。增益匹配设计原则就是使g l ，g s 达到 最大，从而实现放大器的最大增益性能。由于小信号时晶体管的s 2 l 参数在频率与偏置 确定后是不变的，所以放大器的增益实际上是由晶体管所看到的输入输出阻抗z s 和z l 所决定。需要指出的是这里的g l ，g s 主要针对某个频点而言，若在一定的频率范围内， 增益性能会与匹配节的q 值有关。 2 功率与功率匹配1 2 6 对放大器的功率分析在功率放大器设计中显得更为重要。任何一个放大器，当输 入功率加大到某一值后，再增大输入功率并不会改变输出功率的大小，该输出功率称 为该功率放大器的饱和功率。在输入功率较小时，输出功率与输入功率成比例变化， 当输入功率加大到输出功率比线性放大输出功率跌落l d b ，此时的功率称为l d b 压缩 点，以此类推，还有3 d b 、6 d b 压缩点。在无线性化技术配合的情况下，通常以l d b 压缩点处放大器的输出功率( p 1 ) 表示功放的功率性能，在有线性化技术配合的情况 下，常以3 d b 压缩点处的功率表示功放的功率( p 3 ) 性能。本文中即以p 3 为衡量功 放的功率性能标准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 对于晶体管，要得到最佳的增益或输出功率时，晶体管的输出匹配是不同的。为 了得到最佳增益，晶体管输入输出都为增益匹配，阻得到晟大的g s 和g l ：为了得到最 大的输出功率，需要在晶体管的输出进行功率匹配，以得到最大的功率输出。晶体管 输出端的最佳增益阻抗点与功率阻抗点是不同的，特别在大功率器件中相差较大。 j f ： _ - l、。一 b j 二二 一一 f 力 一 s 。m a t c h l ； ， l a l ：，p r e a l：h = = | 7 一，量。 豳2 - 6 增益( $ 2 2 m a t c h ) 匹配和功率匹配的功放压缩特性 上图说明了增益匹配( s 2 2m a t c h ) 与功率匹配所得到的放大器性能的差异，也揭 示了放大器的功率性能、增益性能之间的矛盾关系，这种矛盾也导致了功放较差的输 出驻渡性能。 功率匹配是为了得到最佳的p i 或p 一3 性能，此时放大器进入非线性区，小信号s 参数己不能用于设计，功率设计经历了小信号s 参数，大信号s 参数，负载牵7 3 ( l o a d p u l l ) 和大信号等效串联阻抗设计四种方法口”。l 0 a dp u l l 技术在相关书籍和文献上有详 细讨论。”1a d s 软件中也有对l o a d p u l l 详细说明的文档。通过理论公式求出晶体管 的最佳负载阻抗非常不便，而l o a dp u l l 技术通过对某个区域的阻抗进行扫描，得到放 大器在各种负载阻抗下的性能，从而得到虽优的源和负载阻抗。 图2 7l o a d p u l l 阻抗扫描区域与等功率曲线 图2 - 7 所示，通过对红色区域的扫描，计算出各阻抗作为放大器的输出阻抗时能 得到的放大器的功率、效率、增益性能。从这里可以看出放大器的输出功率主要由晶 体管所看到的负载阻抗决定，这里的负载阻抗不但与基波阻抗有关，还与谐波阻抗有 关。所以放大器的功率性能主要由晶体管所看到的输八输出阻抗z s 和z 。所决定，在 e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 放大器设计时，旦最优的基波负载阻抗z o g 和源阻抗z 删一确定，无论使用什么匹 配拓扑，得到的放大器功率性能会报接近。 3 噪声和噪声匹配 对于射频放大模块，在低噪声前提下对信号进行放大是模块的基本要求。放大器 的噪声可以由以下公式表示【2 4 】： f = ，。+ ( 2 8 ) 式中，r ；为晶体管输入端的反射系数，具体意义见图2 - 2 ( c ) ，。是器件的最小噪声系 数，与偏置条件和工作频率有关，也为器件的等效噪声电阻，r 删为晶体管的最佳噪 声输 反射系数，对应最佳噪声输入匹配阻抗点。从式中可以看出实际设计中放大器 的噪声系数由放大器的输入匹配阻抗所决定，与输出匹配无关。所以噪声匹配只需要 将输入阻抗匹配到最佳噪声阻抗点，输出匹配与增益匹配的设计方法相同。对于一个 通信系统，总的噪声系数可以表示为： f 一1f 一1f 一1 f 。，= f + 二二二+ 二l 二+ 生二二一 f 2 - 9 ) ” qq6 6 ，呸g 川 h 为第n 级的噪声系数，g n 为第n 级的增益，从方程中可以看出，要降低整个系统 的噪声水平，最关键的是要降低第一级放大器的噪声系数f 并提高第一级放大嚣的增 益g ，遗憾的是，放大器的最小噪声特性和最大增益特性是相互矛盾的，无法同时实现， 设计中通常会将第一级放大器的噪声控制在一个适当水平的基础上，尽量提高其增益 水平，所以低噪放输入阻抗匹配点的选取往往是蝶声性能与增益性能的折中。图2 8 在史密斯圆图上描绘了对于某个特定晶体管的低噪声阻抗区和高增益阻抗区的差别以 及它们之间的折中。 图28 某晶体管的低噪声匣，高增益区和增益与曝卢的折中 式2 - 8 中f 叫、r n 、r 硎对于确定的晶体管都是已知量，由晶体管本身的性能决 定，无法改变，放大器设计时，一旦晶体管的最优输入阻抗z s o p t 确定后，所匹配得到 端 坐磊 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 的放大器噪声性能就基本确定了。 4 效率 功放的功率效率是指功放的射频输出功率与供给晶体管的直流功率之比 3 2 1 ，即 1 1 = 坠木1 0 0 ( 2 1 0 ) n 、 ， r d c 叩：丢拦奉1 0 0 ( 2 - 1 1 ) j 2id d 毒y d d 上式中，v d d 为漏极供电电压，为恒定值，比如本文中对末节供电电压为3 0 v 。i d d 和i l l 分别为漏极直流电流和负载基波电流，都为变量，但当放大器的静态工作点确定 后，其比值不变，比如b 类放大器i d d i l l 为2 z c v l l 为负载基波电压。由上分析可以 得出，对于通常的放大器，由于静态工作点一定，所以放大器的效率只与负载基波电 压有关，当放大器工作在功率较小的时候，负载基波电压较小，放大器效率较低，随 着输入功率的升高，放大器的效率会不断升高。为了提高放大器在较低功率水平时的 效率，只有通过提高低功率时放大器的负载阻抗，从而提高放大器在低功率区域的效 率。而d o h e r t y 放大器正是在低功率时将负载提高到1 0 0 欧姆，从而提高了晶体管所看 到的负载阻抗，使低功率区放大器的效率得到提高。 通过对放大器效率的分析，放大器的效率主要由晶体管所看到负载阻抗z l 所决定， 一旦晶体管的最优负载z 唧确定后，设计出的放大器的效率性能也基本确定了。 5 增益平坦度 g 皿取 g 皿血 、，厂、 1 g 图2 - 9 增益不平坦度 增益平坦度定义为放大信号输出幅度随频率的变化量。如图2 - 9 所示，用工作频 率范围内最大增益与最小增益( 用d b 单位) 差值表示。该差值即是用d b 表示的放大 器输出幅度随频率变化的峰峰值。例如，要求带内波动小于等于0 3 d b 时，可表示为 a g 0 3 d b 。应指出，该指标不计增益随温度的变化量。当放大器件确定后，放大器 幅频特性主要决定因素是输入、输出、级间匹配特性。 定义为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 一导争c 扭，( 2 - 1 2 ) 其中g 。懈和g m j n 为功放在工作频率范围内的最大增益和最小增益。 2 3 基于目标阻抗的设计方法 通过2 2 节中对放大器的功率，增益，效率与噪声四个最关键的指标进行讨论，会 发现，这些指标都主要由晶体管所看到的输入输出阻抗z 。和z l 所决定。在放大器设计 中，特别是d o h e r t y 放大器的设计中，放大器性能参数很多，除去最关键的功率、效率、 增益性能外，输入驻波、增益波动、宽带增益性能、匹配节的尺寸等都是很重要的参 数。传统的设计方法是通过直接优化放大器的各个性能去得到需要的匹配，在进行优 化目标的设置时，由于很多性能是互相影响甚至有矛盾的，所以当优化目标设的太多 时会导致设置不合理，无法优化到需要的性能。同时任何软件的优化都是通过电路性 能与优化目标之间的性能误差来决定最优的电路拓扑，当对放大器的性能要求很多， 特别是一些细微的折中时，很难通过优化目标来表达设计者所要的性能，这样软件所 优化的结果就会与设计期望有误差。同时在大功率放大器设计中，由于晶体管的z 。o 眦 和z 哪很小，放大器性能对匹配阻抗非常敏感，这要求较高的仿真精度，无源微带线 若用电磁场( 如a d s 的m o m e n t u m ) 仿真，这种仿真方法虽然精度高，但是很难优化， 仿真质量和设计速度的矛盾会非常突出。基于上一节的分析以及在晶体管性能仿真和 实际晶体管性能评估时，所用的负载牵引技术( l o a dp u l l ) 和阻抗调谐( t u n e r ) 技术 说明，在放大器的设计时，若将放大器的所有指标都综合到晶体管所看到的源阻抗z s 和负载阻抗z l 时，就能得到需要的放大器性能，这种方法的关键点就是通过l o a d p u l l 去找到适合设计要求的最佳输入输出阻抗z 洲和z 咧，然后将其匹配到5 0 欧姆即可。该 方法主要有3 个优点：其一是设计简单；其二是与实际调试的思路和方法很接近，有 利于指导实际调试；其三容易控制匹配结构的形状，适合在小型化和器件密度较高的 情况下使用。这种设计思路可以用于低噪放，推放以及功率放大器的设计，而这三种 放大器的设计方法已在上一节提到。 2 4 偏置 馈电电路设计主要是直流偏置电路或一些控制电路的馈入。良好的直流偏置设计 的目标是选择适当的静态工作点，并在晶体管参数和温度变化的范围内，保持静态工 作点的恒定。微带电路中偏置电路的设计原则如下【3 3 】： 1 引入噪声小，即要求在有高频能量传输的网络中，尽量使用无耗网络； 2 附加损耗小，即要求在频带内呈现纯电阻并且要尽量高，使能量尽可能地沿主线 传输到负载； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 要有一定的频率选择性，不能使频带内的高频能量沿馈电泄漏出去，而使放大器 的增益和输出功率降低，对于带外和高次谐波，若能通过馈电线传输并通过电容并联 到地，将有利于提高放大器输出信号的线性度。 因此在一般的功放模块设计中，偏压馈入电路设计为1 4 波长分支线法，即一段 1 4 工作波长线与射频去耦电容，这里要求射频去耦电容的谐振频率为放大器工作频段 的中心频率，如本课题可用4 7 皮法或3 9 皮法的射频电容。如图2 1 0 所示，射频去耦 电容相对于工作频带内的射频信号呈现非常低的阻抗，该阻抗再经1 4 工作波长微带线 变换为高阻抗，这样，该结构相当于射频开路，理论上在此处加入偏压对射频通路没 有影响，但对直流信号却是通路，实现扼射频，通直流的作用。在小信号、频率较低 的情况下，该部分结构可以用集中参数的电感实现，但对于大功率放大器，实际应用 的电感很难承受大功率( 如本课题的5 6 3 d b 的峰值功率) ，同时寄生效应大，电感精 度，调试困难等原因，偏置线通常都采用1 4 波长分支线法实现。对于直流供电的低频 纹波，需要并联不同值的旁路滤波电容加以滤除。 输入匹 卜一 1 4 3 2 作 2 5 视频带宽 5 0 欧姆 图2 1 01 4 波长分支线馈电电路示意图 实际设计中会发现，线性性能较好的放大器模块与d p d 优化得到的线性性能可能 会不如线性性能更差的放大器模块与相同d p d 优化后得到的线性性能。这种现象可以 用放大器的记忆效应解释，由于当前d p d 系统的算法和数字技术的限制，d p d 对放大 器记忆效应部分的非线性失真很难线性化，放大器模块要与d p d 友好配合，就需要降 低自身的记忆效应。功放的记忆效应主要分为电子记忆效应和电热记忆效应。电子记 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 忆效应主要由放大器匹配网络的节点阻抗相随频率变化所致，这些频率包含包络频率， 基频和二次谐波频率，其中包络频率在匹配网络处看到的包络阻抗对记忆效应起了主 要贡献，为了减小记忆效应，需要使放大器的输出网络在包络频率范围内阻抗保持不 变或变化很小【3 4 】 放大器的输出网络在包络频率范围内阻抗的变化情况较难定量的测量。由此业界 引入视频带宽( v b w ) ，它有多种意思：调制带宽、包络带宽、基带带宽，其与射频 测量领域的视频带宽意义完全不一样，这里的视频带宽有多种定义，但无论何种定义， 视频带宽都是为了定性的反映放大器的电子记忆效应的大小。有关视频带宽在书中或 国内论文中的讨论很少，但在现代基站放大器设计中却是一个非常重要的指标。飞思 卡尔公司从第7 代起在d a t a s h e c t 中对大功率l d m o s 晶体管的视频带宽性能也做了特 别测试，但对不同的晶体管，所用的视频带宽的定义却有所不同。 t y p i c a lp e r f o r m a n c e s ( i nf r e e s c a l et e s tf i x t u r e ，5 0o h ms y s t e m ) v d d 22 8v d c 1 d q ：1 4 0 0m 久1 9 3 0 19 9 0m h zb a n d w i d t h v i d e ob a n d w i d t h 1 7 0w 。e pp o t cw h e r ei m 3 ：3 0d b c ( t o n es p a c i n g 靠o m1 0 0k 咆t ov b w v b w2 5 m h z z t l m d 3 ：i m d 3 v b wt r e q u e n c y i m d 3 1 0 0k l - t z 2d b ) v b wr e s o r l a r l c ep o i n t 沼沿名 4 5 m h z f i m dt h i r do r d e ri n t e r m o d u t a t i o ni n f l e c t i o no d i m ) 图2 一1 1b )m r f 8 s 9 2 0 0 中的v b w