射频功率放大器的设计

射频功率放大器的设计第一页，共四十八页，2022年，8月28日一、教学内容及时间安排大功率放大器大信号放大器设计微波功率的合成与分配技术射频功率放大器的设计2第二页，共四十八页，2022年，8月28日其中是接收机的总噪声输出功率6．2灵敏度与动态范围其中前两项之和定义为基底噪声基底灵敏度为3第三页，共四十八页，2022年，8月28日16．2大功率放大器小信号放大器的设计是基于器件的小信号S参量进行的，这些参数通常由器件制造商提供或很容易地用网络分析仪测得。但稍后将会看到，这些参数本身对大信号放大器的设计是不够的，需要加以修正。一般而言，对任何一种放大器的设计都希望达到增益、噪声；系数、功率及带宽的最佳。因此，第一种设计都是基于设计要求之上的对等增益曲线、等噪声系数曲线及等功率曲线的综合考虑。但由于大信号放大器的设计主要关心的是其输出端的资用功率值，故一些在小信号放大器设计中需考虑的问题(如噪声系数)在大信号设计过程中却变得毫无意义和价值。4第四页，共四十八页，2022年，8月28日为了便于理解，对每一类放大器的描述再重复一遍。A类放大器：工作于这种模式下的放大器中的每一只晶体管；在整个信号周期内均导通。B类放大器：工作于这种模式下的放大器中的每一只晶体管仅在半个信号周期内导通。AB类放大器：工作于这种模式下的放大器对于小信号工作于A类，对大信号工作于B类。C类放大器：工作于这种模式下的放大器中的每一只晶体管的导通时间远小于半个信号周期。5第五页，共四十八页，2022年，8月28日16．4微波功率的合成与分配技术在某些需要大功率的场合，如雷达发射机或空间通信口，仅一路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此时需采用功率合成技术。为了获得大功率输出，可将几个独立的功率放大器通过功率合成器连接起来以便产生所需的大功率。

16．4．1多级中的N路N路多级功率合成器(或功分器)是一种将N路不同放大器的输出功率进行合成(或分解)的耦合器。6第六页，共四十八页，2022年，8月28日微波功率合成／分配器拘分类图16．4微波功率的合成与分配技术7第七页，共四十八页，2022年，8月28日16．4微波功率的合成与分配技术在某些需要大功率的场合，如雷达发射机或空间通信口，仅一路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此时需采用功率合成技术。为了获得大功率输出，可将几个独立的功率放大器通过功率合成器连接起来以便产生所需的大功率。16．4．1多级中的N路N路多级功率合成器(或功分器)是一种将N路不同放大器的输出功率进行合成(或分解)的耦合器。8第八页，共四十八页，2022年，8月28日9第九页，共四十八页，2022年，8月28日功率合成技术10第十页，共四十八页，2022年，8月28日C波段微波功率放大器的设计和实现11第十一页，共四十八页，2022年，8月28日12第十二页，共四十八页，2022年，8月28日13第十三页，共四十八页，2022年，8月28日线性化功率放大器设计14第十四页，共四十八页，2022年，8月28日功放实物图15第十五页，共四十八页，2022年，8月28日

第十六页，共四十八页，2022年，8月28日17第十七页，共四十八页，2022年，8月28日16．4微波功率的合成与分配技术在某些需要大功率的场合，如雷达发射机或空间通信口，仅一路功率放大器往往不能提供所需的微波能量，此时需采用功率合成技术。为了获得大功率输出，可将几个独立的功率放大器通过功率合成器连接起来以便产生所需的大功率。

16．4．1多级中的N路N路多级功率合成器(或功分器)是一种将N路不同放大器的输出功率进行合成(或分解)的耦合器。18第十八页，共四十八页，2022年，8月28日所用两只功率BJT放大器的特性参量为

放大器

AMP18727AMP210922现设工作频率为1GHz，输入功率为5.5dBm，每只两路功分／合成器的插入损耗为0.5dB。试确定合适的BJT放人器，使其用于每一级中可获得29.5dBm的输出功率。解从输出端开始往回倒推，可得每一级的功率和增益分别为19第十九页，共四十八页，2022年，8月28日解从输出端开始往回倒推，可得每一级的功率和增益分别为A点：A点处的两只并行放大器应选用AMP1。因AMP1的

B点

C点：

C点处也应选用AMP1。因AMP2的

低于C点处要求的

而AMPl线性工作时的增益

20第二十页，共四十八页，2022年，8月28日单从功率要求看，AMPl和AMP2均适用于0点处，但考虑到输入功率为5.5dBm，故应选择高增益的AMP2作为输入端方可满足要求。21第二十一页，共四十八页，2022年，8月28日16．5互调分量产生的信号失真工作于大信号状态下的放大器可能会引起输出信号的失真。这一失真主要是由于放大器的工作区域已超出了其线性区，必将导致称之为“混频分量”的新频率分量出现在输出端。定义(互调分量)当在一个非线性放大器或任意一个非线网络的输入端加入两个或两个以上不同频率的正弦信号时，在其输出端所产生的附加频率分量。功率放大器非线性的影响放大电路的非线性幅度响应用幂函数逼近表示为22第二十二页，共四十八页，2022年，8月28日1、对电源线和地线进行布线，尽量加宽电源、地线宽度，它们功率放大器非线性的影响

可以发现输出电压23第二十三页，共四十八页，2022年，8月28日2.3阶截断点功率放大器非线性的影响非线性放大器1dB压缩点的确定这两个功率在3阶截断点相等。若定义在截断点处的输入信号电压为24第二十四页，共四十八页，2022年，8月28日3．功率放大器的非线性功率放大器的非线性会使得放大器的输出产生各阶交调积和谐波成分。频带范围内的两个频率稍有不同的基频成分通过非线性放大器后，会产生各阶谐波成分和各阶交调成分。谐波成分离应用频带很远，对发射机性能的影响有限，交调成分则靠近应用频带，特别是三阶交调积，就位于应用频带范围内，而且它主要由三阶非线性引起，能量相对较高，对发射机性能的影响最大。25第二十五页，共四十八页，2022年，8月28日功率放大器的非线性效应还会降低信道内的信噪比，这是由于位于信道频带范围内的各阶交调积对有用信号来说都相当于噪声，噪声能量增加，使得信道内的信噪比下降，会恶化接收机的解调性能(增加误码率)。功率放大器的非线性除了产生各阶交调积和谐波成分外，还会引起AM-AM效应和AM—PM效应。当输入功率增加到一定程度时，放大器的增益发生压缩，引起AM-AM效应，而且，放大器的相移也不再是一个常数，它随着输入功率的变化而变化，引起AM-PM转换效应。26第二十六页，共四十八页，2022年，8月28日功率放大器的非线性引起星图变形27第二十七页，共四十八页，2022年，8月28日16．6多级大信号放大器的设计大多数实用的晶体管放大器通常是由多级放大器级联而成以构成多级放大器。在大功率放大器中，每一级放大器都应工作于最大功率状态以满足最大功率传输条件。在以下几节中我们将对多级大功率放大器做详细讨论。N级放大器欲使其稳定工作，必须确保各单级放大器及级联后的总放大28第二十八页，共四十八页，2022年，8月28日大功率放大器的宗旨是产生尽可能高的输出功率。组成这种多级放大器中的每一级放大器都应工作在或接近于大信号状态下的1dB增益压缩点处。这意味着在用等功率曲线进行设计时，应选择处处的(每级晶体管的输出端)，再由共轭匹配条件确定输入端的参量以获得最小的VSWR，满足最大功率传输条件，即29第二十九页，共四十八页，2022年，8月28日16．6．2三阶截止点总功率大功率放大器的设计不仅要获得大功率输出，同时也要具有高三阶截止点(T01)。若各级放大器在TOI处的功率己知，则在假设各级，同相叠加的前提下其多级功率放大器的总可由下式得到：为功率增益,若各级放大器特性—致，即30第三十页，共四十八页，2022年，8月28日实际中，n可能会比较大但不可能为无穷大，因此式给出了多级放大器在三阶截断点处总功率的最佳值，此值是衡量功率放大器的特征指标，类似于前面介绍的低噪声放大器的特征指标—噪声因子M31第三十一页，共四十八页，2022年，8月28日16．6．3动态范围如前所述，放大器动态范围的下限由噪声因素确定()，上限由1dB增益压缩点确定因此，对于n级放大器便有：1.动态范围的下限32第三十二页，共四十八页，2022年，8月28日特殊情况：特性一致的放大器。对于级数n很大且特性一致的多级放大器，可简化为33第三十三页，共四十八页，2022年，8月28日对于级数很大的多级放大器第一级放大器的为可得出一个重要结论：多级放大器的总输出最小可检测信号决定于第一级放大器的最小可检测信号因此，设法使第一级工作于输出噪声最小状态是至关重要的。34第三十四页，共四十八页，2022年，8月28日2．动态范围的上限在动态范围上限处，即1dB增益压缩点处的多级总输出功率可按类似于式的形式写出若各级放大器的特性一致，即35第三十五页，共四十八页，2022年，8月28日对于无限级相同的级联放大器，可写为多级放大器在1dB增益压缩点处的输出功率小于或等于末级放大器在该点处的输出功率。结论设法使多级功率放大器的末级工作于最大输出功率状态是至关重要的。36第三十六页，共四十八页，2022年，8月28日16．6．4宽动态范围多级放大器的设计对于n级放大器，其实际动态范围(dynamicrange，DR)为对于宽动态范围多级放大器的设计，主要应考虑以下几点：(1)由式得结论：多级系统的第一级决定着系统输出功率的下限。理想情况下可取(2)可得结论：多级系统的末级决定着系统输出功率的上限。理想情况下可取对多级放大器所能期望的最大动态范围或最佳动态范围估计值为37第三十七页，共四十八页，2022年，8月28日而对于N级相同的放大器，则有级数N或各单级增益GA的增加将导致系统的总增益和的增加又将导致系统有效动态范围的减小。因此，多级放大器在总增益和动态范围之间有个折中处理。例1设计一个如图所示的10W(40dBm)功率放大器，其工作频率为1GHz，输入信号为1mW(0dBm)。设计中可选用的放大器参数如下表所示：38第三十八页，共四十八页，2022年，8月28日(1)欲在一个线性区域内获得10W的输出功率，问该如何对所给的放大器A、B、C进行排序以构成三级级联放大器。(2)按问题1中的电路结构试确定该放大系统在室温(T＝290K)下、工作频率为1GHz、带宽为100MHz时的最佳动态范围估计值。设X=3dB。放大器

AMP-A1640153AMP-B1638152AMP-C203219239第三十九页，共四十八页，2022年，8月28日解(1)级联放大器的合理安排序考虑如下：a．因要求输出功率为40dBm，所以应选放大器A为输出级，因其可提供所期望的功率值＝40dBm)。但由于放大器A在1dB增益抑制点处工作，故其线性增益会降低1dB。因此，计算时应用b．因放大器C具有,A最低d的B1dB增益抑制点功率和最高增益，故应置于第一级，因级联系统输入级的高增益可降低第二级噪声的影响。c．因放大器B具有较高的和较低的噪声系数，故置于中间级。最终结构如图所示，各级的功率值及增益值已示于图中。40第四十页，共四十八页，2022年，8月28日(2)最佳动态范围估计值计算如下：41第四十一页，共四十八页，2022年，8月28日印制板上阻抗不连续的典型要素5.4、高速信号完整性设计42第四十二页，共四十八页，2022年，8月28日AnsoftHFSS电磁兼容软件介绍5.4、高速信号完整性设计43第四十三页，共四十八页，2022年，8月28日PA设计的一般步骤为了完成功放特性仿真，PA设计通常需要以下步骤。(1)将厂家提供的晶体管模型库导入到ADS模型库中。(2)根据放大器的要求和晶体管特性确定静态工作点。(3)进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、偏置电路和直流扼流等。(4)确定仿真类型(S—参数仿真、谐波平衡仿真、直流仿真、交流仿真等)、仿真参44第四十四页，共四十八页，2022年，8月28日6．1．3负载牵引设计方法通常功率放大器的目的是以获得最大输出功率为主，因此将使得功率放大器的功放管工作在趋近饱和区，S参数会随着输入信号的改变而改变，尤其S21参数会因输入信号的增加而变小。因此，转换功率增益将因功率元件工作在饱和区而变小，不同于输出功率与输入信号成正比关系的小信号状态。换言之，原本功率元件在小信号工作状态下，输出／输入端都是设计在共轭匹配的最佳情况下，随着功率元件进入非线性区，输入／输出端的共轭匹配就逐渐不再匹配。此时，功率元件就无法得到最大的输出功率。所以，设计功率级放大器的关键就在于匹配网络，这可以利用负载牵引(Load-Pull)原理找出功率放大器最大输出功率时的最佳外部负载阻抗ZL。功率放大器在大信号工作时，功率管的最佳负载阻抗会随着输入信号功率的增加而改变。因此，必须在史密斯图(Smithchart)上，针对给定一个输入功率值时绘制出在不同负载阻抗时的等输出功率曲线(Powercontours)，帮助找出最大输出功率时的最佳负载阻抗，这种方法称为Load-Pull。Load-Pull是决定最佳负载阻抗值最精准的方法，用来模拟及量测功率管在大信号时的特性，如输出功率(Outputpower)、传输功率增益(Transducerpowergain)、附加功率效率(Poweraddedefficiency)，以及双音交调信号分析(Two-lonesignalanalysis)的线性度IMD3和IP3。45第四十五页，共四十八页，2022年，8月28日