基于推挽结构的高功率射频功放技术研究

1、编号：12006510509南阳师范学院2016届毕业生毕业论文（设计） 题 目: 基于推挽结构的高功率射频功放技术研究 完 成 人: 韩婷 班 级: 2012-05 学 制: 4 年 专 业: 通信工程 指导教师: 惠 明 完成日期: 2016.04.25 目录模块一 绪论第一节射频功放的研究历程与成果【4】第二节如何开展研究及其要求模块二 射频功率放大器的原理第一节工作原理性质以及功能1、 增益2、 效率3、 线性度第二节如何分类1、 根据宽带区分2、 根据导通角区分3、 丁、戊功放的区别4、 根据结构区分第三节本章小结模块三 基于推免结构下的功率放大器第一节共射及功率放大器第二节互补推免

2、功率放大器第三节互补推免功放的应用1、 推免功放在音频领域下的应用2、 推免功放在微波及射频领域下的应用第四节本章小结第四模块 总结与展望 附录参考文献模块一 绪论第一节 射频功放的研究历程与成果 时至今日，无论是在日常生活还是部队，无线通信都得到了广泛的应用。如信息、文字、音频、视频，都在利用无线通信进行传播。另外还有蜂窝移动跟无线寻呼，都已经陆续出现在我们的视线里，影响着各行各业的发展，无疑提高了人们的生活水平，带来了极大的方便，使得联系与交流都不再受到原始联系方式的束缚。无限交流不再是梦！与此同时，伴随这种技术的成熟，周边产业得到了强有力的带动，移动手机已然成为当代人们生活必不可少的生活

3、用品。还有我们不太常见的私人数码助手Personal Digital Assisant、便携笔记本Laptop。如我们所见，所有的电子设备都在想轻便演进，满足人们的需求。在目前电子产业的发展形势下，为顺应消费者以及其它相关产业的需求，无线技术的开发必然是当下最热门的研究。从最初的有线传播，到现在的无线，无疑是一项重大突破。不仅高效快捷，且经济节约。减少了资源上的投入，同时也传播更多的信息，不再拘泥于数字，在音频与视频上也得到了广泛应用。那么接下来，我们要研究的是，如何实现无线通信的传播。这里我们先简单地将其分为两大模块，即功率放大与功率发送。这二者缺一不可，发射机在无线通信中能够正常发挥其功能

4、的必要条件就是这两大模块的正常运作。我们先来介绍下移动终端里的奥秘，在学术中我们称之为蜂窝手机可同时收信与发信的终端设备。他的工作原理是双工，通常有ETACS、GSM两大类。通常情况下，移动终端设备是由五个工作部分组成，他们分别是：收信设备、发信设备、控制器、操作器、电源。这些都是终端移动设备必不可少的器件。而这其中，发信设备又涵盖了VOC、驱动发送机、功放和电源调制解调器、功率调制器及其所组成的逻辑电路。当然，必不可少的还有语音、音频、视频或图像的方面的处理器级电路等。这里，我们为大家简单介绍一下GSM移动终端设备的结构图，它是由带发射上变频的发射机、带发射变化的电路的发射机及直接变频发射机

5、。其原理图如下：在移动终端设备上启用我们上述提到的三种发射机都必须要利用功率放大器power amplifier（PA）。同时它是构成发射机的最终期间之一。接下来我们将为您介绍这里所说的功率放大器。它最主要的作用就是将信号放大，在利用足够大的功率进行发送，射频的功率放大器有两种类型，即窄带与宽带。其中宽窄射频是相对频带，不是一般意义上的绝对频带。且是通带闭上中心频率的值。射频功放中的宽带类由负载传输线组成的功率合成器，且工作频带的贷款达到此标准。而我们通常采用的是谐振网络，在这种网络环境下的优点在于工作频率可以在一个较大的范围内波动却不会产生影响。所以，大多移动众多都采用这一技术。前面我们介绍

6、的PA，率放大器的性能的稳定性可影响终端设备发送无线通信讯息的准确性，决定了其信号的传播及接收质量。换句话说，功率放大器是移动通信设备中能量消耗最大的组成部分，因此它的工作时间将主导着整个设备的工作时间，当然设备在空闲期与通信期的功率耗费度是不同的。功率放大器还可以主导设备使用时信号的强弱，它发出的信号覆盖面积越大就意味着其信号越强。由此可见，如此重要的结构在移动通信设备中转主导地位，我们必须将其设计成为工作效率高且线性度高而发射出高频率的功率放大器才可以满足需求。到目前为止，我们已经研制出了第三代移动通讯设备，而PA也在不断地随之进步，应运而生。首先是为了能够满足更高的信号强度的要求，更流畅

7、清晰高效。为保证这几点，我们将PA中的线性度跟效率在进一步教工设计的更加完美。但研究的道路不总是这么顺利，这里发现了两个问题：如果加强现行这一方面，将其工作环境编制到A这一级别，则功率就无法上到我们需要的高度；而当将功率的值赋予高一点的级别，也就是几个效率之和，将其工作环境置于B级或者C级，那么线性度有无法得到保障。在这种情况下，我们首先想到的是选择一个最佳位置，使二者得到最高程度上的平衡，可是功率放大器的工作效率达到一个较高的稳定值。然而这样的方法事实证明是不可取的。事情总会找到解决的方法，但很惭愧这种方法并不是由我们发明的，我们只是在出现问题的情况下去查阅了大量关于解决此类问题的书籍，终于

8、，一个奇迹般的字眼出现在我们的视线里推挽！推挽，其英文是PUSH.PULL，译为推动，挽回。顾名思义，不仅可以改善PA工作时的效率，还可以将线性度稳定在一个可用范围内。这样一想良好的技术早已被许多领域加以利用，已达到了一个相当高的水平。可这种相当高的水平也仅限于在声音信号的功放上，而我们前面提到的微波技术上，由于补偿异质结双极性晶体管也就是npn-pnp这种晶体结构管制作起来很困难，因此在微波领域跟射频上，目前只能依赖FET这种技术得以发展与运用，但FET这种技术更新的不太快。致使这种情况发生的最重要的原因是因为两者在同一种环境下工作时，由于结构的不同，导致工作频率在特定要求下无法一致，解决这

9、一问相当困难，某种程度上阻碍了射频集成功率放大器的发展。第二节 如何开展研究及其要求前面我们已经提出推挽技术有效解决以上存在的难题，因此我们的研究方向就是要设计一款基于推挽结构的宽带射频功率放大器。用来解决在特定的功率下工作时，提高效率却得不到稳定线性的照片那个大难题。使其在一个平衡的状态发挥最大效率进行工作。 研究项目有：1、 频率带宽：720MHz1220MHz2、 输出功率：4w3、 额外增加的功率：3W4、 信号的增益功率：30dB5、 输入回波损耗S11-10dB，输出回波S220伏，功率放大器的元件放大输入的信号，在共射极放大器倒向的帮助下实现，输出的u0在周期的负半周上。若ui0

10、伏，则倒向可将其引导在周期的正半周上。 二、功率跟效率以下是共射极功率的放大器的效率，其直流电源输出功率的表达式 极电极电流 损耗 输出的负载功率 电路的效率 电路效率最大 上面的表达式可以看出推挽结构功率放大器弥补了甲类放大器的不足。 第二节 互补推挽功率放大器 从图中我们可以清楚的看出推挽结构的基本原理，他跟共射极放大器的区别在于结构中双功率放大器，且都是在乙类放大器的原理下运行。1、工作原理推挽结构：NPN三极管T1加NPN三极管P2两个电源予以供电且静态工作时： 波形图 2、功率跟效率 经计算峰值电压：峰值电流：负载输出功率：最大输出功率：3、推挽式原理的不足一旦接受到信号就会启动不过

11、，也有失真的情况我们想了一个办法来解决失真的问题如图 方法二 第三节 互补推挽功放的应用一、推挽功放在音频领域下的应用我们之所以能听到美妙的声音，并且高保真，在乐器跟柔美的女声上效果更加明显，与此同时，在较为重的音乐上却力不从心，这是因为从前的放大器都缺乏稳定性，而推挽结构放大器的出现，使得音乐基本上得到还原。二、推挽功放在微波及射频领域下的应用 在早期，研究者列出了一份电源供电的推挽结构放大器的表格。其电路图如下 第四模块 总结与展望分立电路中比较成熟的一项电路结构是功率放大器，高线性度和高功率是它拥有的两个非常大的优点，在音频的功放领域里有很大的领域。NPN HBTs与PNP HBTs两个

12、之间不对称所以两者之间性能相差很多，最后就是NPN-PNP与互补HBTs未在射频电路集成得到推广的主要原因。这个设计是运用了特别的电路的结构，并设计了不一样的一款NPN-NPN推出去和挽回来的功率的放大器用在了射频的领域，并且在电路中的晶体管子控制了甲和乙两类（AB类）工作的状态，还能够满足了电路高线性度和高功率两个方面上性能上的要求，补齐了NPN-PNP互补的推出和挽回结构上面没办法在射频的领域实现的尴尬。本章分来了两个小节展开，第一小节和第二小节分别总结了这个设计的优点与后面研究上面的不足的地方和能够弥补的方法。在HBTs制作的领域，功率的放大器一般用于共同发射结构的电路中是很传统。最为突

13、出的问题是高功率的附加效率、高输出功率、功率放大器高线性度三个之间是有矛盾的，通过对性能的考察和比较能够知道，一样的射极电路的结构不能够很好的满足功放的设的指标赫尔设计的要求表现在功能的领域。在一方面，因为受到晶体管的性能上面的局限，输出功率受到的很大的影响，另一个方面，只有牺牲了一部分的功率附加的功率才能够保证电路可以拥有比较高的线性度。举个例子NPN HBTs的BVceo=7.2V，但是当Ic比较大的时候，Vce不可以高过2.5V，只有用了高性能的管子，增加了Vce的摆动幅度，增加了输出的功率才可以满足输出的设计上面的许多要求。比较一下如果采用了结构上设计的放大器，推处挽回结构的负载的线，

14、大大的增加了输出的功率归功于推出与挽回结构的电压摆动的增加到共同发射的电路两倍的输出的信号的摆动幅度。在另一方面，必须选用通角很小的偏执的状态（AB类、B类甚至C类状态），但减小导通角提高功率的附加效率的同时，输出的同时输出的线性度一直会下降导致提高不了附加的效率。这个理论在第三章节里详细介绍。但对于挽回和推出不会存在功放这个问题。由图可以知道，这两个交替工作的在AB类状态的NPN HBTs，正负的两半周信号分别负责和占满了放大的输出信号。输出两个半周的信号同时能拥有AB类的共同发射放大器的高功率的附加的功率，保证了信号的完整性和放大器的线性度。参考文献RF Power Amplifiers

15、for Wireless Communications, Second Edition (Artech House Microwave Library (Hardcover)SC Cripps-RF Power Amplifiers for WirelessCommunications,SecondEdition(ArtechHouseMicrowaveLibrary(Hardcover)2006Complementary HBT push-pull amplifier by selective MBEKW Kobayashi，DK Umemoto，JR Velebir，.-IEEE Microwave & Guided Wave Letters1992A wide-band class AB monolithic power amplifierRG Meyer，WD Mack-IEEE Journal of Soli