第3章射频功率放大器

1、第3章 射频功率放大器电路n3.1 射频功率放大器的主要技术指标射频功率放大器的主要技术指标n3.1.1 输出功率n3.1.2 效率n3.1.3 线性n3.1.4 杂散输出与噪声n3.2 射频功率放大器电路结构射频功率放大器电路结构n3.2.1 射频功率放大器的分类n3.2.2 A类射频功率放大器电路n3.2.3 B类射频功率放大器电路n3.2.4 C类射频功率放大器电路n3.2.5 D类射频功率放大器电路n3.2.6 E类射频功率放大器电路n3.2.7 F类射频功率放大器电路n3.3 功率放大器电路的阻抗匹配网络功率放大器电路的阻抗匹配网络n3.3.1 阻抗匹配网络的基本要求n3.3.2 集

2、总参数的匹配网络n3.3.3 传输线变压器匹配网络n3.4 功率合成与分配功率合成与分配n3.4.1 功率合成器n3.4.2 功率分配器n3.5 功率放大器的线性化技术功率放大器的线性化技术n3.5.1 前馈线性化技术n3.5.2 反馈技术n3.5.3 包络消除及恢复技术n3.5.4 预失真线性化技术n3.5.5 采用非线性元件的线性放大n3.6 射频功率放大器电路实例射频功率放大器电路实例n3.6.1 1.0GHz、60W宽带射频功率放大器电路n3.6.2 2.4GHz 频带的WLAN功率放大器电路n3.6.3 蓝牙功率放大器电路n3.6.4 50Hz2.7GHz射频功率测量电路n思考题与习

3、题思考题与习题3.1 射频功率放大器的主要技术指标n射频功率放大器是各种无线发射机的主要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。射频功率放大器电路在设计时需要对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题进行综合考虑。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，这是研究射频功率放大器的关键。而对功率晶体管的要求，主要是考虑击穿电压、最大集电极电流和最大管耗等参数。为了实现有效的能量传输，天线和放

4、大器之间需要采用阻抗匹配网络。3.1.1 输出功率n在发射系统中，射频末级功率放大器输出功率的范围可小至毫瓦级，大至数千瓦级。为了实现大功率输出，末级功率放大器的前级放大器电路必须要有足够高的激励功率电平。在大功率发射系统中，往往由二级到三级甚至由四级以上的功率放大器组成射频功率放大器，各级的工作状态也往往不同。n根据对工作频率、输出功率、用途等的不同要求，可以采用晶体管、FET、射频功率集成电路或电子管作为射频功率放大器。在射频大功率方面，目前无论是在输出功率或在最高工作频率方面，电子管仍然占优势。千瓦级以上的发射机，大多数还是采用电子管。当然，晶体管、FET也在射频大功率方面不断取得新的突

5、破。例如，目前单管的功率输出已超过100W，若采用功率合成技术，输出功率可以达到3000W。3.1.2 效率n功率放大器由于输出功率大，因而要求直流电源提供的功率也较大，这就存在一个效率问题。效率是射频功率放大器极为重要的指标，特别是对于移动通信设备。定义功率放大器的效率，通常采用集电极效率C和功率增加效率PAE两种方法。n1集电极效率cn所谓集电极效率，是指功率管集电极输出的有用功率Pout和电源供给的直流功率Pdc的比值，用C表示，见(3.1.1)。n式（3.1.1）中，Pc为管耗。效率c越高，意味着在相同输出功率情况下，要求直流电源供给的功率越小，相应管子内部消耗的功率也越小。n2功率附

6、加效率(Power Added Efficiency,PAE)n功率附加效率定义为输出功率Pout与输入功率Pin的差与电源供给功率Pdc之比，见 (3.1.2)n功率附加效率PAE的定义中，包含了功率增益的因素，当有比较大的功率增益，即PoutPin时，有CPAE。n如何提高输出功率和效率，是射频功率放大器设计目标的核心。3.1.3 线性n衡量射频功率放大器线性度的指标有三阶互调截点(IP3)、1dB压缩点、谐波、邻道功率比等。邻道功率比用来衡量由放大器的非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度。n由于非线性放大器的效率高于线性放大器的效率，射频功率放大器通常采用非线性放大器。功率放大电路工作在

7、大信号状态，晶体管工作在非线性区域，会出现较多的非线性失真。从频谱的角度看，由于非线性的作用，输出信号中会产生新的频率分量，如三阶互调分量、五阶互调分量等，它干扰了有用信号并使被放大的信号频谱发生变化(即频带展宽了)。在功率放大电路中的失真主要是互调失真，互调失真是衡量功率放大器电路性能的一个重要参数。n在有两个或多个单频信号输入的情况下，非线性放大电路会产生(输出)除这些单频外的新频率信号。这些新出现的单频信号是非线性系统互调的产物。例如，假定输入信号是两个频率为f1和f2、幅度相同的单频信号的叠加，则nui(t)=cos(2f1t)+cos(2f2t) (3.1.3)n则输出电压见(3.1

8、.5)。将上式展开后，可以发现输出电压uO(t)包含有DC、f1、f2、2f1、2f2、f1f2频率成分。如果在放大电路的非线性幅度响应中取到三次方项，除二次方展开输出电压uO(t)得到的频率成分外，还得到包含有3f1、3f2、2f1f2、f12f2的频率成分。n这些频率成分可以分类为：二次谐波2f1、2f2(u2项引起)；三次谐波3f1、3f2(u3项引起)；二阶互调f1f2(u2项引起)；三阶互调2f1f2、f12f2(u3项引起)。放大电路输出信号包含有多种频率成分，这些频率中距离输入信号频率f1和f2最近的频率是三阶互调的产物2f1-f2和2f2-f1。其他频率距离基频f1和f2较远，

9、很容易使用滤波器滤除，但三阶互调的产物2f1-f2和2f2-f1会落在放大电路的有效带宽内，不能使用滤波器滤除。三阶互调是造成射频功率放大电路产生失真的主要因素，是衡量功率放大电路性能的一项重要指标。n三阶互调产物的输出功率P2f1-f2随f1的输入功率Pf1变化，近似为线性关系。三阶互调截点(用PIP3表示)定义为：对于两端口线性网络，输入功率Pf1和互调产物P2f1-f2的交叉点。n三阶互调截点PIP3是一个理论上存在的功率值。三阶互调截点PIP3的值越高，放大电路就具有越高的动态范围。根据理论和实验都可以得到三阶互调截点在1dB增益压缩点以上10dB，关系表示为nPIP3(dBm)=P1

10、dB(dBm)+10dB (3.1.6)n从时域的角度看，对于波形为非恒定包络的已调信号，由于非线性放大器的增益与信号幅度有关，因此使输出信号的包络发生了变化，引起了波形失真，同时频谱也发生了变化，并引起了频谱再生现象。对于包含非线性电抗元件(如晶体管的极间电容)的非线性放大器，还存在使幅度变化转变为相位变化的影响，干扰了已调波的相位。n非线性放大器对发射信号的影响，与调制方式密切相关。不同的调制方式，所得到的时域波形是不同的，如GSM制式采用了高斯滤波的最小偏移键控(GMSK)，可以用非线性放大器来放大。但对于北美的数字蜂窝(NADC)标准，采用的是4偏移差分正交移相键控4-DQPSK调制方

11、式，已调波为非恒定包络，它就必须用线性放大器放大，以防止频谱再生。3.1.4 杂散输出与噪声n对于通过天线双工器共用一副天线的接收机和发射机，如果接收机和发射机采用不同的工作频带，发射机功率放大器产生的频带外的杂散输出或噪声若位于接收机频带内，就会由于天线双工器的隔离性能不好，而被耦合到接收机前端的低噪声放大器输入端，形成干扰，也可能对其他相邻信道形成干扰。n因此必须限制功率放大器的带外寄生输出，而且要求发射机的热噪声的功率谱密度在相应的接收频带处要小于-130dBm/Hz，这样对接收机的影响基本上可以忽略。3.2 射频功率放大器电路结构3.2.1 射频功率放大器的分类n射频功率放大器的工作频

12、率很高(从几十兆赫兹一直到几百兆赫兹，甚至到几十吉赫兹)，按工作频带分类，可以分为窄带射频功率放大器和宽带射频功率放大器。窄带射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路，例如LC谐振回路。宽带射频功率放大器不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作为负载。n根据匹配网络的性质，可将功率放大器分为非谐振功率放大器和谐振功率放大器。非谐振功率放大器的匹配网络是非谐振系统，例如高频变压器、传输线变压器等非谐振系统，它的负载性质呈现纯电阻性质。而谐振功率放大器的匹配网络是谐振系统，它的负载性质呈现电抗性质。n射频功率放大器按照电流导通角的不同分类，可分为甲(A)类、甲乙(AB)类、乙(

13、B)类、丙(C)类。甲(A)类放大器电流的导通角=180，适用于小信号低功率放大。乙(B)类放大器电流的导通角=90；甲乙(AB)类的导通角介于甲类与乙类之间，90180；丙(C)类放大器的电流导通角90。乙类和丙类都适用于大功率工作状态。丙类工作状态的输出功率和效率是这几种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类状态，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。n射频功率放大器还有使功率器件工作于开关状态的丁(D)类放大器和戊(E)类放大器。丁类放大器的效率理论上可达100，但它的最高

14、工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率)的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则丁类放大器的工作频率可以提高，即构成戊类放大器。n还有另外一类高效率放大器是F类、G类和H类。在它们的集电极电路中，设置了包括负载在内的专门无源网络，产生一定形状的电压波形，使晶体管在导通和截止的转换期间，电压uCE和iC均具有较小的数值，从而减小过渡状态的集电极损耗。同时还设法降低晶体管导通期间的集电极损耗，来实现高效率的功放。n射频功率放大器按工作状态分类，可分为线性放大和非线性放大两种。线性放大器的效率最高只能达到50，而非线性放大器则具有较高的

15、效率。n射频功率放大器通常工作于非线性状态，属于非线性电路。通常采用的分析方法是图解法和解析近似分析法。图解法利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进行计算；解析近似分析法将电子器件的特性曲线用某些近似解析式来表示，然后对放大器的工作状态进行分析计算。n图解法是从客观实际出发，计算结果比较准确，但对工作状态的分析不方便，步骤比较烦冗；折线近似法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。3.2.2 A类射频功率放大器电路nA类射频功率放大器电路属于线性放大器，放大器电流的导通角=180，即在正弦信号一周期内，放大器电路的功率管是处于全导通工作状态，适合放大AM、SSB等非恒定包络已调波

16、。对于一些射频小功率情况，例如，在4GHz频率以下实现1W(30dBm)的输出功率，或者在UHF频段实现5W的输出功率，可以选用A类放大电路作为功率放大电路。n晶体管A类射频功率放大器的典型电路结构、负载线和波形如图3.1所示。为了输出大的功率，一般采用如下措施：集电极采用扼流圈(或线圈)馈电；让晶体管工作于可能的最大输出功率状态；在实际负载RL和最佳负载Ropt间采用一个阻抗变换网络，使放大器输出最大功率。n对于A类射频功率放大器，为使功率管能有最大交流信号摆幅，从而获得最大输出功率，需要将直流工作点Q选择在交流负载线的中点，如图3.1b所示。需要注意的是，激励信号幅度不能过大，以避免输出波

17、形产生失真。图3.1 晶体管A类射频功率放大器的电路结构、负载线和波形nA类射频功率放大器在没有输入信号时，电源供给的全部功率都消耗在功率管上，即管耗达到最大，这是人们所不希望的。nA类射频功率放大器电路的效率不仅与输入信号的幅度有关，而且还与输入信号的波形有关。对于输入信号为一个方波的情况，输出集电极电流必然也是一个方波。分析表明：A类射频功率放大器电路在输入/输出均为方波的情况下，理想效率可达到100%。为实现不失真放大，通常用LC并联谐振回路做集电极负载。如果LC回路调谐在基波，选出基波频率分量，则输出功率如(3.2.4)所示。n从(3.2.6)可见，A类射频功率放大器在方波工作时的最大

18、效率比正弦波工作时的理想效率还高出31。如果把LC回路调谐在n次谐波上，就可实现n次倍频。但效率将随次数n很快下降。n在小信号输入时，A类放大电路始终工作在线性区域，可以使用最大功率增益、最小噪声系数等设计方案。在大信号输入时，A类放大电路可能工作在非线性区域，会出现较大的非线性失真。在输出匹配电路的设计中，需要提高电路的品质因数，才能抑制基频信号的谐波，减小信号的非线性失真。n通常厂家在提供大信号下晶体管各种参数时，往往给出当工作在1dB增益压缩点时，晶体管的大信号源电压反射系数GSP和负载电压反射系数GLP及输出功率P1dB。n1dB增益压缩点(G1dB)定义：由于晶体管的非线性特性，放大

19、电路实际输出功率增益比线性功率增益降低1dB时，放大电路的实际功率增益，表示为(3.2.7)。n1dB增益压缩点如图3.2所示，实线代表晶体管输出功率Pout随输入功率Pin增加的实际变化，虚线代表输出功率Pout与输入功率Pin之间理想的线性关系。当输入功率Pin增加到Pin，1dB时，输出功率PoutP1dB比线性功率增益Po下降了1dB。 图3.2 功率放大器1dB增益压缩点和动态范围n依照厂家给出的1dB增益压缩点的数据，设计A类射频功率放大电路的步骤如下。n1)选择合适的有源器件，检验晶体管在1dB增益压缩点的特性和频率特性，看是否能满足放大电路设计的需要。n2)检查稳定条件，判断晶

20、体管是否满足绝对稳定条件，或者在Smith圆图上绘出稳定区域。n3)对于给定输出功率的要求，在Smith圆图上绘出等输出功率曲线。如果厂家没有给出该等输出功率曲线，可以通过插值的方法获得。n4)选择合适的LP以满足输出放大电路功率的需要，并根据电压反射系数LP计算晶体管输出端口的电压反射系数IN。n5)选择SPIN，以满足共扼匹配条件,获得最大的功率增益。n6)依据获得的LP和SP值，设计A类功率放大电路的输入和输出匹配网络。3.2.3 B类射频功率放大器电路n晶体管B类射频功率放大器的典型电路结构、负载线和波形如图3.4所示。n电路中，偏置电压VBB=Von，当正弦波信号输入时，功率管在输入

21、波形的半个周期内导通，而在另半个周期则是截止的。显然静态时，集电极电流iC为零，集射极间电压为VCC。由于功率管在半个周期内导通，电流导通角=/2，所以输出是一个半波正弦信号，如图3.4b所示。nB类射频功率放大器电路采用双管B类推挽工作，即用两只B类工作的功率管各放大半个正弦波，然后在负载上合成一个完整的正弦波(图中仅给出了VT1的波形)。图3.4 晶体管B类射频功率放大器的典型电路结构、负载线和波形nB类推挽射频功率放大器也可以采用两只互补功率MOSFET组成。功率场效应晶体管(MOSFET)与功率双极晶体管(BJT)相比有很多优点。n场效应晶体管的ID为负温度系数，它随温度升高而减小，这

22、使功率管温度上升以后仍能保证安全工作。而双极晶体管的IC为正温度系数，如果不采用复杂的保护电路，则温度上升后功率管将烧坏。双极晶体管是少数载流子工作器件，功耗随工作频率的增加而增加。场效应晶体管是多数载流子工作器件，在导通、截止之间的转换极为迅速，功耗小、工作频率高。n由于场效应晶体管的输入阻抗高，激励功率小、功率增益高，而且易于集成，所以在集成功率放大器集成电路芯片内的输出级，常常采用这种互补场效应晶体管B类推挽功放电路。n高效率功率放大器可使用过激励B类工作模式。B类过激励的理想集电极电流和电压波形如图3.5所示(实线部分)，电流和电压波形的振幅随激励而增加，但它们截断时的峰值保持与一般的

23、B类是一样的，分别等于供电电压VCC和电流峰值Icm。n以电流和电压波形作为角度参数1的函数，进行傅里叶分析，得出电压和电流各分量的值，表达式见3.2.123.2.23。nB类过激励的集电极效率值高于传统B类工作的最大集电极效率(78.5)，分析式(3.2.22)作为1的函数，并对其求极值，B类过激励模式具有的最大集电极效率88.6，此时角度参数132.4。图3.5 B类过激励的集电极电流和电压波形3.2.4 C类射频功率放大器电路n晶体管C类射频功率放大器的典型电路结构、负载线和波形如图3.6所示。nC类射频功率放大器又称为谐振功率放大器，放大器电流的导通角90，属于非线性功率放大器，只适合

24、放大恒定包络的信号。电路中基极偏置VBBVon，VBB与输入信号Vim决定导通角，导通角Von-VBB/Vim，集电极电流iC为脉冲形式(见图3.6)，集电极的LC输出谐振回路完成选频与阻抗变换功能，输出电压为正弦波。图3.6 晶体管C类射频功率放大器的典型电路结构、负载线和波形nC类射频功率放大器电路中功率管的导通时间小于半个周期，即导通角3.2V)时，推荐低增益模式。在低电源电压(3.3V)时，推荐高增益模式。n功率检测器的电流输出是线性的，与RF输出电压成比例。功率检测器为获得最高精确度使用5.6k电阻。也可以选择其他的值来适合其他电路的最大输入灵敏度。nSA2411采用2条相等的微带线把SA2400A接在SA2411上，连接线的长度要求为最短形式。3.6.3 蓝牙功率放大器电路nMAX2244/MAX2245/MAX2246是专门设计用在2425GHz频带的蓝牙功率放大器，采用336V单电源供电，电流消耗208mA；输入功率