《射频电路设计》第3章 射频功率放大器电路设计.pptxVIP

3.1 射频功率放大器的主要技术指标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设计需要对输出功率、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，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，天线和放大器之间需要采用阻抗匹配网络。 3.1.1 输出功率在发射系统中，射频末级功率放大器输出功率的范围可小至毫瓦级（便携式移动通信设备）、大至数千瓦级（发射广播电台）。为了要实现大功率输出，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。显然大功率发射系统中，往往由二到三级甚至由四级以上功率放大器组成射频功率放大器，而各级的工作状态也往往不同。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。现在已有单管输出功率达2000kW的巨型电子管，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。1．集电极效率?c集电极效率?c定义为输出功率Pout与电源供给功率Pdc之比，即 （3.1.1） 2．功率增加效率（PAE, Power Added Efficiency）功率增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，即 （3.1.2）功率增加效率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。如何提高输出功率和保证高的效率，是射频功率放大器设计目标的核心。3.1.3 线性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。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。但是非线性放大器在放大输入信号的同时会产生一系列的有害影响。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。 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。 非线性放大器的所有这些影响对移动通信设备来说都是至关重要的。因为，为了有效地利用频率资源和避免对邻道的干扰，一般都将基带信号通过相应滤波器形成特定波形，以限制它的频带宽度，从而限制调制后的频带信号的频谱宽度。但这样产生的已调信号的包络往往是非恒定的，因此非线性放大器的频谱再生作用使发射机的这些性能指标变差。 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，如用于欧洲移动通信的GSM制式，该制式采用了高斯滤波的最小偏移键控（GMSK），是一种相位平滑变化的恒定包络的调制方式，因此可以用非线性放大器来放大，不存在包络失真问题，也不会因为频谱再生而干扰邻近信道。但对于北美的数字蜂窝（NADC）标准，采用的是偏移差分正交移相键控调制方式，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 杂散输出与噪声对于通过天线双工器公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，或者也会对其他相邻信道形成干扰。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射频功率放大器的工作频率很高（从几十兆赫兹一直到几百兆赫