射频功率放大器

《通信电子线路》

(第2版)顾宝良编著4．1引言4．2A类射频功率放大器4．3B类和C类射频功率放大器4．4高效射频功率放大器4．5*阻抗匹配网络与网络设计4．6*射频宽带功率合成4．1引言射频功率放大器RFPA是发射系统中的主要部分在调制器产生射频已调信号后，射频已调信号就由RFPA将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。发射系统框图4．1引言功率放大器输出功率大，转换效率是主要问题

通常在RFPA中，可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波，实现不失真放大。A类(甲类)B类(乙类)C类(丙类)D类(丁类)E类(戌类)

F类工作状态开关型功率放大器线性功率放大器4．2A类射频功率放大器忽略LC的线阻,功率管集射极电压: UCE=VCC-ICRERE很小,功率管的静态集射极电压: UCE=UCEQ≈VCC交流工作时,输出电压: uo=-iCRL功率管的集射极间交直流总电压：uCE=VCC-ICRE-iCRL≈VCC-iCRL理想状态下: uCEmin≈0，uCEmax≈2VCC。

4．2A类射频功率放大器

4．2．1正弦信号输入时的A类RFPA对于正弦信号输入时: iC=ICQ+iL其中交流分量: iL=ILmsinωt，而ILm≤ICQA类功放的输出功率Po为:电源供给功率PD为:效率为:

当ILm=ICQ时，效率η最高，即ηmax＝50％。

理想状态下，ULm=ILmRL≈ICQRL≈VCC

4．2A类射频功率放大器

4．2．1正弦信号输入时的A类RFPA实践中功率管有饱和压降UCE(sat)，它将会引起失真和降低效率。这时集电极电流中的交流峰值最大值为最高效率为:

4．2A类射频功率放大器

4．2．2方波信号输入时的A类RFPAICQ为工作点Q处的直流电流值，方波电流幅值ILm≤ICQ。输出功率:效率：

如果ILm=ICQ，则η＝100%

根据功率管的这一特性,可设计出开关工作状态的功放电路,D类、E类和F类功放等。

4．2A类射频功率放大器

4．2．2方波信号输入时的A类RFPA 如果LC回路调谐在基波选出基波频率分量，输出功率：I1m为iL中的基波电流振幅：

基波最大输出功率:最高效率:LC回路谐振阻抗

如果把LC回路调谐在n次谐波上，就可实现n次倍频。但效率随n很快下降，即ηn=8/n2π2，但能实现不失真倍频。

4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．1B类射频功放电路(a)B类功放偏置(b)B类功放iC波形图4．3．1B类功放偏置和iC波形iC信号严重失真为实现正弦信号的不失真放大，在这种B类功放中也常常采用LC并联谐振回来选出基波正弦分量。 4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．1B类射频功放电路图4．3．2集成互补MOSFETB类推挽功放目前在射频功率放大器集成电路中，采用两只互补功率MOSFET的B类推挽功率放大器。图中Tl为N沟道耗尽型MOSFET，T2为P沟道耗尽型MOSFET，恒流源IQ和Rb是Tl和T2的偏置电路。在输入信号电压超过功率管的门限电压前，MOSFET不导通。 4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．2C类射频功放原理如果将功率放大器偏置在功率管的导通时间小于半个周期，即导通通角,则这种工作状态称为C类。 4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．2C类射频功放原理iC中的直流分量IC0可以由如下积分关系计算: 4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．2C类射频功放原理功率管的导通通角 2θ=θ2-θ1，或代入上式可得直流分量IC0为： 4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．2C类射频功放原理iC中的基波分量幅值I1m可以用如下积分关系计算:C类功放电路的输出功率Po为:C类功放电路的电源供给功率PD为: 4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．2C类射频功放原理C类功放的效率η为:若忽略功率管的饱和压降UCE(sat),则当iC达最大值,UCm=I1mRL≈VCC,且输出功率Po为最大。这时,C类功放在最大输出功率时,效率η是通角θ的函数。 4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．2C类射频功放原理η与θ关系曲线当通角θ减小到接近零时，C类功放的效率η增加到100％，这是理想状态下的情况。一般减小θ时，η是增加的，这是C类功放效率高的原因。相反,θ增加时,η是降低的。当θ＝90°时，功放电路工作在B类，这时的理想效率为η＝78.5％。 4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．3C类RFPA的查表设计方法C类功率放大器的主要设计计算参数为：输出功率Po、电源供给功率PD、功率管的管耗PT、功率管的最大集射(漏源)极间电压uCEmax和功率管最大输出电流iCmax等。基极反偏置电压VBB将功率管偏置在C类,它和输入激励信号幅度Ubm决定了功放管的导通通角θ只有改变VBB才能改变工作状态。

4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．3C类RFPA的查表设计方法若功率管截止,则功率管集射极的最大电压uCEmax≈2VCC。若功率管导通,则集电极最大电流iCmax为：若用基波振幅Ilm表示iCmax：

用归一化峰值电流IM表示：

4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．3C类RFPA的查表设计方法归一化峰值电流IM:IM与θ的关系曲线

IM是θ的函数关系

在输出功率固定的情况下，功率管集电极电流峰值随通角θ的减小而增大。

4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．3C类RFPA的查表设计方法功率管的管耗PT可以用电源供给功率PD和输出功率Po之差来表示:归一化管耗PT/Po是θ的函数关系:PT/Po与θ的关系曲线

在固定输出功率Po的情况下,管耗PT随通角θ的增大而增加。在给定管耗PT时,则对应某一输出功率Po就有一个确定的通角θ。

4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．4C类RFPA的倍频功能 由于C类功放的电流脉冲iC中含有很丰富的谐波分量，只要把负载并联LC回路调谐在某次谐波上，C类功放就是倍频功放电路。C类功放的集电极电流脉冲iC可表示为:如果将时间原点移到电流脉冲的中心，则导通期间电流脉冲iC可表示为:用傅里叶级数展开，可得各次谐波分量的振幅为: 4．3B类和C类射频功率放大器

4．3．4C类RFPA的倍频功能n为谐波次数,且n≥2.各次谐波的振幅Inm与通角θ有关.

Inm/ICm与θ关系曲线图中仅画出了n=2，3，4等三条曲线。由图中可知，各次倍频谐波最大幅值，有一个最佳通角θ。

4．4高效射频功率放大器A、B、C类功放是通过不断减小功率管的导通时间(减小通角θ)来提高效率的。θ减小时，效率η虽提高了，但基波振幅I1m却减小了，从而使输出功率下降。功率消耗在管子上的原因是集极电流iC流过功率管时，功率管集射极间电压uCE不为零。高效射频功放——开关型功放（D类、E类和F类）A、B、C类功放——线性功放 4．4高效射频功率放大器

4．4．1D类RFPAD类功放电路

D类RFPA通常采用两只功率管组成推挽工作结构。输入激励信号经变压器倒换相位后，使功率管T1、T2交替导通，并处于开关工作状态。

4．4高效射频功率放大器

4．4．1D类RFPALC回路选择基频时,负载RL上的输出电压uo(t)为 4．4高效射频功率放大器

4．4．1D类RFPA流过每管的直流电流ID为 4．4高效射频功率放大器

4．4．1D类RFPA输出功率Po为:

电源供给功率PD为

4．4高效射频功率放大器

4．4．1D类RFPAD类功放的效率η为：功率管的管耗PT为： 4．4高效射频功率放大器

4．4．2E类RFPAD类功放存在缺陷：T2很难饱和，三极管开关时间……实际的效率η<RL/(RL+Ron)E类和D类的区别除功率管只用一只管子以外,还在于输出调谐回路的设计能获得所选定的集电极电压和电流波形特性

4．4高效射频功率放大器

4．4．2E类RFPAE类RFPA的开关等效电路

射频功率管等效为一个理想开关K和饱和导通电阻Ron，C1’=C1+C0； 4．4高效射频功率放大器

4．4．2E类RFPA设射频功率管的饱和导通电阻Ron很小，可不考虑。E类RFPA在正弦信号一周期内的ik和uk波形可作分析.在0~π期间ik≠0,而uk=0;在π~2π期间ik=0,uk≠0。射频功率管上的管耗PT≈0,这就是E类RFPA效率很高的基本原因。功率管接近理想开关,ik和uk波形呈圆滑曲线,很接近半个正弦波,这与D类的方波相比较,其谐波成分要小得多。 4．4高效射频功率放大器

4．4．2E类RFPA假设驱动信号是占空比为50%的方波,并考虑功率管的饱和压降Uces和驱动信号上升时间所带来的非理想因素。则 4．4高效射频功率放大器

4．4．2E类RFPA电路中电抗元件和负载电阻RL的设计关系:其中Q是L2C2串联谐振回路的品质因素。Q值高,则带宽窄,而且工艺设计困难;Q值低,带宽宽,而且会降低功放效率,常取Q=7~10。 4．4高效射频功率放大器

4．4．4F类RFPAA类RFPA在方波信号输入时，功率管集电极电压呈方波,负载网络在二次、三次等谐波时有很高的阻抗(LC谐振回路选择基波),降低了功率管的管耗，所以A类RFPA基波效率可达81%。利用负载网络对谐波的高阻抗,使功率管压降呈方波(或近似方波),降低管耗,提高效率的射频功放,称之F类RFPA。F类RFPA的理想效率应该是100%，负载网络的阻抗条件必须是：基波阻抗 4．4高效射频功率放大器

4．4．4F类RFPA奇次谐波的总和给出了方波电压基波和偶次谐波的总和给出了近似为半个正弦电流波形 谐波的次数越多,则电压和电流波形越接近这理想F类波形。同时,F类功放的效率也就越高。

4．4高效射频功率放大器

4．4．4F类RFPA具有二次谐波短路和三次谐波高阻的理想F类功放的最大效率可达75%.对集中参数功放可外接并联或串联谐振回路来进行补偿。实现这种F类功放的近似理想化阻抗条件是Z1=Z3=∞,Z2=0。谐振回路补偿电路图 4．4高效射频功率放大器

4．4．4F类RFPA式中的ωo=2πfo，fo为基波频率；Co为功率管的输出电容。

谐振回路补偿电路图 4．4高效射频功率放大器

4．4．4F类RFPA微带传输线补偿电路F类功效采用微带传输线阻抗补偿很容易实现,补偿电路如图所示,图中Z1