射频及微波固态功率放大器张玉1课件

射频及微波固态功率放大器张玉兴教授（博导）内容射频及微波功率放大器发展动态1射频及微波功率放大器设计2功率放大器的线性化技术3射频及微波固态功率放大器中的新颖技术4绪论

射频及微波固态功率放大器发展动态StandardGSMIS-54IS-95PDCPHSYearintroduced19901991199319911993UplinkfrequencybandEuropeNorthAmericaNorthAmericaJapanJapan(MHz)890-915824-849824-849940-9591,895-1,907Carrierspacing(kHz)200301,25025300MultipleaccessTDMA/FDMATDMA/FDMACDMA/FDMATDMA/FDMATDMA/FDMAModulationGMSKp/4-DQPSKOQPSKp/4-DQPSKp/4-DQPSKDuplexmodeFDDFDDFDDFDDTDDMaximumtransmitpower(dBm)3027.827.83319Long-termmeanpower(dBm)2123172810Peak-to-averagepowerratio(dB)03.25.12.62.6Transmitdutyratio(%)12.533.3Variable33.333.3PAvoltage(V)3.5-6.03.5-6.03.5-6.03.5-4.83.1-3.6ACPR(dBc)N/A-26-26-48-50TypicalPAquiescentcurrent(mA)20180200150100Typicalefficiency(%)>50>40>30>50>50Several2GDigitalWirelessSystems用于移动通信的功率放大器

频率范围MHzPout(dBm)增益(dB)功率附加效率(%)偏置(V)GSM890∼190032∼35>3050∼553∼5.8PCS1850∼191028∼32>2430∼423∼5.8蜂窝824∼92828∼32.5>2730∼603∼5.8数字移动通信对非线性分析的影响非恒包络信号—对非线性敏感NADC(π/4-QPSK)、CDMA(QPSK、OQPSK)高功率附加效率—非线性状态较强低邻信道干扰—要求线性好挑战解决高功率附加效率与低邻信道干扰的矛盾如何在线性度和效率之间做到较好的兼顾？负反馈法

优缺点:简单、易实现频带较窄、稳定性较差适用于线性要求不高的系统

前馈技术：采用前馈技术优点是能大大改善功放的线性度，缺点是成本较高、难度大、功放的效率会比较低，这种技术近几年在国内外已经得到了广泛的应用。预失真技术预失真又分这模拟预失真（APD）和数字预失真（DPD）1、模拟预失真是指在功放输入前加入一个预失真器，这种预失真器产生的非线性与功放产生的非线性相们相反，从而可以实验非线性的矫正，模拟预失真又分为射频预失真和中频预失真。这种技术优点是实现简单、技术难度小、成本低；缺点是线性度改善不高。基带数字预失真的硬件原理极性环笛卡儿环第二章射频及微波功率放大器设计二端口网络及S参数1准线性网络设计2负载牵引法32.1二端口网络理论及S参数传统的网络参数1散射参数2二端口网络参数间转换3传输线42.1.1传统的网络参数导纳参数混合参数传输参数2.1.2散射参数入射波ai，入射波bi端口2处接有匹配负载时，在端口1处的反射系数端口1处接有匹配负载时，在端口2处的反射系数端口1处接有匹配负载时，端口2到端口1的传输系数端口2处接有匹配负载时，端口1到端口2的传输系数2.1.3二端口参数的相互转换ICDesign需要传输线知识吗–空气中1GHz信号的波长为30cm，芯片的尺寸以mm计，因此在这个频段附近(lowerGHz)的RFIC内部通常还不需要考虑传输线效应–当频率高到一定程度，电路中存在较长的连线，或者需要精确分析电路的工作情况，即使是IC设计也不得不使用传输线理论–IC与外界连接时(不论是测试还是实际应用)都将用到传输线–传输线现象是典型的高频现象，传输线理论是理解高频电路、信号和系统的基础和重点•抽象的传输线–一根信号线和地(线或面)就组成了传输线–电磁波将沿信号线传输并被限制在信号线和地之间传输线阻抗变换2.2准线性网络设计方法为简化功率放大器设计过程，在一些情况下，使用基波电流和电压之比和非线性元件用等效平均基波线性元件代替，可用准线性方法分析。依据信号电压的等效平均线性元件的推导是基于静态伏-安和电压-电容有源器件特性。2.3负载牵引法•直接方法，也是一种借助实验手段的方法•确定功率放大器的增益、输出功率、非线性特性与负载的关系•确定振荡器的频率牵引特性、振荡稳定区与负载的关系•在设计功率放大器时，用测量系统测出功率放大器在不同负载情况下的增益、输出功率、三阶交调失真及二次谐波，用这些数据在阻抗园图上画出负载阻抗的轨迹，从中选出合适的参数作为设计依据•优点：测试结果能使设计人员一目了然，便于设计采用计算机自动测试系统，测试结果可靠•缺点：被测放大器的功率越大要求信号源功率也越大无法测量激励频率的谐波阻抗，很难估计谐波影响。第3章功率放大器的线性化技术非线性电路基本概念与定义1放大器中的非线性现象2功率放大器的线性化技术3一、分布参数

分布电容存在于二个导体之间、导体与元器件之间、导体与地之间或者元件之间。引线电感，顾名思义是一种元件间连接导线的电感，有时，也称之为内部构成电感。分布参数的影响在直流和低频时是不严重的。但是，随着频率的增加，影响越来越大。3.1非线性电路基本概念与定义二、RF频段是一种相对概念集中参数频段可用“路”的概念来分析分布参数则用“场”的概念来分析。RF频段与电路尺寸有关，电路尺寸只要小于八分之一导波波长(λg)，就可用路的概念来分析电路。RF电路既可用路的概念分析问题，又可用分布参数概念—长线理论来分析，或者说，用“路”分析时，还要考虑分布参数的影响。三、趋肤效应

趋肤效应：ac电流流经导体时趋向于导体外边部分，而dc电流流经整个导体。随着频率的升高，趋肤效应形成了一个较小的导流带，结果，形成了大于dc电阻的ac电阻。趋肤深度示意图趋肤深度：电流密度降到表面电流密度1/e=1/2.718=0.368处的临界深度。趋肤效应引起的最明显的影响就是引起信号传输途径中的损耗增加。四、寄生耦合RF电路中信号很容易从电路内向外部和在电路内部之间辐射。这样，造成了电路内部元件之间、电路与他的环境之间、他的环境与电路之间的互相耦合。这种耦合又称之为寄生耦合，电路元件之间的耦合造成了RF电路中的寄生反馈，引起电路的不稳定及性能下降。地线上电位差引起的寄生反馈克服RF电路中寄生反馈的有效手段之一是屏蔽。所谓屏蔽就是把易引起电磁辐射的元器件用金属盒封蔽起来或者隔离开来，切断(或削弱)他们的电磁耦合途经，金属外壳要妥然接地。屏蔽盒及接地五、公用电源的去耦合问题RF电路中电源的去耦合六、无源元件(PassiveComponents)非线性电路大量使用无源元件，它们用于： –阻抗匹配或转换 –抵消寄生元件的影响(扩展带宽) –提高选择性(调谐、滤波、谐振) –移相网络、负载等等RF电路中的电阻电阻的等效电路描述电阻R的绝对值阻抗随频率的变化RF电路中的电感

高频电感线圈的等效电路空心线圈的频率响应RF电路中的电容

高频电容电等效电路引线电容的频率响应简单串、并联谐振回路与双调谐耦合谐振回路LC谐振回路的电路结构特性串联谐振回路并联谐振回路阻抗幅频特性相频特性谐振电阻r谐振频率谐振回路特性谐振回路特性特性串联谐振回路并联谐振回路Q值特性阻抗阻抗特性感性容性纯阻（r）纯阻（R0）容性感性通频带注：式中为广义失谐品质因数的物理意义

品质因数实际上描绘的是系统储能与耗能之间的关系。七、SmithChart－反射系数平面上的阻抗和导纳反射系数平面(Γ平面)

反射系数Γ可以用一个平面直角坐标中的点(X,Y)来 表示，X和Y分别是它的实部和虚部，即G=X+jY，这是一一对应的关系。•Γ还和阻抗存在一一对应的关系因此阻抗也和Γ平面上的点存在一一对应的关系–将反射系数表达式中的阻抗对传输线的特征阻抗Z0

进行归一化：

z=Z/Z0=r+jx，进一步得到•SmithChart的应用–读取阻抗、导纳、反射系数、驻波比等–LC和传输线匹配网络设计–微波、射频放大器设计»噪声系数»增益»稳定系数–微波、射频振荡器设计•小结–史密斯圆图是反射系数平面上的阻抗和导纳坐标系–平面直角坐标(反射系数)和圆坐标(阻抗和导纳)的结合使LC和传输线电路的计算变得非常直观，在高频放大器设计中有广泛的应用八、阻抗变换及匹配：概述•为什么要匹配–在传输中获得最大的功率或效率–保证系统具有正确传输特性(例如LC滤波器需要匹配负载)–提高信噪比(降低噪声系数)–减少由于反射引起的信号失真–确保电路稳定–为各模块之间提供方便、可靠的连接•为什么低频信号不需要匹配(想想弹簧的情况)–从波长与器件/传输线尺寸的关系看，信号在传输过程中的相位与幅度近似不变–从周期与传输时间上看，虽然反射仍然存在，但是在信号的有效周期内将会衰减到可以忽略(极限情况：DC)•为什么逻辑电路通常不需要匹配–这是一个能量(或功率、信噪比)与状态的区分问题，与高频模拟电路不同，逻辑电路中所传递的是电平的高低状态•两种不同的匹配概念–对传输线阻抗的匹配：ZL=Z0–对信号源阻抗的匹配：ZL=Zs*•匹配网络设计的一些考虑–工作频率–带宽或Q值–实现方式和结构•阻抗匹配/变换网络的基本形式–LC阻抗变换技术–传输线匹配技术–变压器LC阻抗变换网络传输线阻抗变换3.2放大器中的非线性现象¤GainandPhasedependsonInputSignal¤3rdOrderGain-Nonlinearities:¤HigherOutputLevel(closetoSaturation)resultsinmoreDistortion/NonlinearityNonlinearityleadsto?¤GenerationofHarmonics¤IntermodulationDistortion/SpectralRegrowth¤SNR(NPR)Degradation¤ConstellationDeformationIntermodulationandHarmonicsSpectralRegrowth¤EnergyinadjacentChannels¤ACPR(AdjacentChannelLeakagePowerRatio)increasesReducedNPR(NoisePowerRatio)¤InputSignal¤OutputSignalofNonlinearAmplifier¤DegradationofInbandSNR¤NoisyConstellationConstellationDeformation¤InputSignal¤OutputSignalofNonlinearAmplifier(withGain-andPhase-Distortion)AM/AM-andAM/PM-Conversion¤GaAs-PAAM/AM-andAM/PM-Conversion¤LDMOS-PA3.3功率放大器中的线性化技术A负反馈线性化技术B预失真技术C前馈技术Direct(RF)Feedback直接反馈技术负反馈线性化技术DistortionFeedback间接反馈技术¤ClassicalMethod¤DecreaseofGain→LowEfficiency¤FeedbackneedsmoreBandwidththanSignal¤StabilityProblemsathighBandwidthsDirect(RF)Feedback单级1W功率放大器相频特性DistortionFeedback¤FeedbackofoutbandProductsonly¤HigherGainthanRFfeedback¤StabilityProblemsduetoReverseLoop预失真技术（Predistortion）预失真的IM3与AM，PN失真的关系数字预失真（DigitalPredistortion）¤DigitalImplementationofCartesianFeedback¤AdditionalADCs,DSPPower,Oversamplingneeded¤LoopcanbeopenedànoStabilityProblems模拟预失真（AnalogPredistortion）¤PredistorterhasinverseFunctionofAmplifier¤LeadstoinfiniteBandwidth(!)¤Hardtorealize(accuracy)AnalogPredistortion¤PossibleRealizations:前馈技术（Feedforward）¤OvercomesStabilityProblembyforward-onlyLoops¤CriticaltoGain/Phase-Imbalances0.5dBGainError→-31dBCancellation2.5°PhaseError→-27dBCancellation¤Wellsuitedfornarrowbandapplication第4章

射频及微波固态功率放大器中的新颖技术双途径功率放大器开关模式功率放大器Kahn包络分离与恢复技术异相功率放大器Doherty技术4.1Doherty技术Doherty原理框图三种工作状态分析理想Doherty放大器和B类放大器效率对比多级Doherty功率放大器结构框图不同Doherty功放结构的效率4.2异相功率放大器异相功率放大器的简化框图4.3Kahn包络分离与恢复技术传统Kahn模拟包络分离和恢复方案采用DSP技术的直接变换方案EER(EnvelopeEliminationandRestoration)¤Separatingphaseandmagnitudeinformation¤EliminationofAM/AM-distortion¤Applicationofhigh-efficientamplifiers(independentofamplitudedistortion)¤StabilityguaranteedEER(Envelope