密级：学校代码：10075
分类号：学号：20101390
工程硕士学位论文
射频功率放大器及其线性化技术研究
学 位 申 请 人： 尹文斌
指 导 教 师： 娄建忠 教授
学 位 类 别： 工程硕士
学 科 专 业： 集成电路工程
授 予 单 位： 河北大学
答 辩 日 期： 二〇一二年六月
Classified Index: Code: 10075 U.D.C NO: 20101390
A Dissertation for the Degree of Master
The Research of RF Power Amplifer And Linearization Technology
Candidate：Yin Wenbin
Supervisor：Prof. Lou Jianzhong
AcademicDegreeAppliedfor: MasterofEngineering
Specialty: IntergratedCircuitEngineering
University: HebeiUniversity
DateofOralExamination: June, 2012
摘要
随着无线通信的发展，通信频段变得越来越拥挤。为了提高频段的利用率，各种线性化调制技术被不断采用。射频功率放大器是发射系统中非线性最强的器件，其性能的好坏直接影响到通信系统的质量，所以如何设计一个性能优良的射频功率放大器是非常重要的。同时越来越多的线性化调制技术的应用，如何提高射频功放的线性度显得越来越重要。模拟预畸变电路结构简单，性能优良，是一种被广泛采用的线性化技术。
本文先简要说明了射频功率功率放大器及其预畸变电路的国内外研究现状，并对反馈和前馈等线性化技术进行介绍，之后简要介绍了各类功率放大器。之后重点设计了射频功率放大器，包括对偏置电路、输入匹配电路、输出匹配电路、级间匹配电路，最后对设计好的整个放大电路进行性能仿真。设计的功率放大器工作频率为800MHz,小信号增益为37dB左右，输出功率为28dBm,增益压缩点出现在输入功率为-15dBm，最后根据原理图设计了功率放大器的版图。之后设计了一个基于二极管反向平衡对的预畸变，预畸变电路输入信号的畸变点在0dBm附近,该电路可以使得功率放大器的线性度提高20dB,同时对预畸变电路进行了版图的设计。
关键词模拟预畸变线性度功率放大器射频
Abstract
With the development of wireless communication, the bandwise of communication is getting crowded. In order to improve the utilization of frequency bands, many different kinds of linear modulation technique are used. The RF power amplifier is the most nonlinear devices in the launch system, whose performance directly affects the quality of the communication system, so how to design a good RF power amplifier with high performance is very important. At the same time,more and more linear modulation techniques are being used,so how to improve the linearity of RF amplifiers is becoming more and more important. Analog pre-distortion circuit has a simple structure,an excellent performance,which is widely used in the linearization area.
This article describes the research status of the RF Power Amplifier and pre-distortion circuit briefly, meanwhile the feedback and feedforward linearization techniques are described. After that this paper describes the various types of power amplifier briefly. This paper focused on the design of RF power amplifiers, including the bias circuit、input matching circuit、output matching circuit and an interstage matching circuit, simulating the circuit. The power amplifier works on the frequency of 800MHz, small signal gain is about 37dB, the output power is 28dBm, gain compression point appears in of 15dBm the input power, finally design the layout of PA according to the schematic. Then design the predistortion circuit based on diode reverse balance,which predistorted point of input signal is 0dBm, the circuit can make the linearity of the amplifier improve 20dB, while design the layout of predistortion circuit.
Key words pre-distortion linearization power amplifier radio frequency
目录
第1章引言 (1)
1.1 论文背景及其意义 (1)
1.2 射频功放及其线性化技术国内外研究现状 (3)
1.2.1 射频功放国内外研究现状 (3)
1.2.2 射频功放线性化技术国内外研究现状 (4)
1.2.3 模拟预畸变线性化技术 (5)
1.3 本文的主要工作 (8)
1.4 论文基本章节框架 (8)
第2章射频功率放大器设计 (9)
2.1 射频指标 (9)
2.1.1 效率 (9)
2.1.2 相邻信道功率比 (9)
2.1.3 增益 (10)
2.1.4 噪声系数 (10)
2.1.5 增益压缩 (10)
2.1.6 交调失真 (11)
2.2 射频功率放大器 (11)
2.2.1 A类射频功率放大器 (11)
2.2.2 B类及AB类射频功率放大器 (13)
2.2.3 C类功率放大器 (16)
2.2.4 高效功率放大器 (16)
2.3 射频功率放大器设计 (17)
2.3.1 射频功率放大器的设计思路 (17)
2.3.2 射频功率放大器原理图和直流仿真 (17)
2.3.3 射频功率放大器的元件库 (19)
2.3.4 射频功放的偏置电路 (21)
2.3.5 输入匹配电路设计 (23)
2.3.6 输出匹配电路设计 (27)
2.3.7 级间匹配电路 (29)
2.3.8 射频功放的性能 (30)
2.4 射频功放的版图设计 (33)
2.4.1 各元件的符号 (34)
2.4.2 射频功放的版图 (35)
2.5 本章小结 (36)
第3章模拟预畸变电路设计及性能分析 (37)
3.1 基于肖特基二极管的模拟预失真器 (37)
3.1.1 肖特基二极管的特性仿真 (37)
3.2 基于二极管的反向平衡对的预畸变器 (39)
3.2.1 反向平衡对预畸变电路的理论推导 (39)
3.2.2 ADS仿真结果 (41)
3.4 模拟预畸变电路设计 (42)
3.4.1 模拟预畸变原理图 (42)
3.4.2 预畸变电路中关键部件 (44)
3.4.3 预畸变电路改进前后性能对比 (44)
3.5 预畸变电路版图设计 (46)
3.5.1 各元件的符号 (46)
3.5.2 预畸变电路版图设计 (47)
3.6 本章小结 (48)
第4章射频功放线性度联合仿真 (49)
4.1 功率放大器与预畸变电路联合仿真 (49)
第5章结论与展望 (53)
参考文献 (54)
致谢 (57)
攻读硕士期间发表的论文 (58)
第1章引言
1.1 论文背景及其意义
第三代移动通信（3rd-Generation，简称3G[1]）系统具有更大的容量、更好的通讯品质、更高的频带利用率，这些特点使得它能为高速和低速移动用户提供语音、数据、电视会议及多媒体等多种业务,但这些出色的性能也对硬件电路系统提出了更高的要求，尤其是发射子系统的功率放大器单元[2]。在现在无线通信系统之中，射频前端部件对于系统的影响起到了至关重要的作用。目前随着科技的进步，射频前端元件如低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、功率放大器（PA）等都已经集成到一块收发器（tranciver[3]）之中，但其中对性能影响最大是功率放大器，下图1.1就是一个典型的射频收发器结构。
图1.1 射频收发器框图
从图1.1可以看到，需要接受的射频信号通过天线进入收发器，经过一个选频滤波器滤波之后通过一个单刀双掷开关使得信号能够进入接收通道，被接受的信号通过一个低噪声放大器（LNA）之后通过混频器（mixer）变为中频信号进入基带电路，这就是一个完整的信号接收过程。同样，数字基带信号通过声表面波滤波器（SAW）再通过混频器，之后通过功率放大器进行功率放大，最后通过天线发射出去，这就是一个典型的信号发射过程。在这两个过程之中，LNA和PA对收发器的性能起到至关重要的作用，这里主要讨论功率放大器的相关问题，对于低噪声放大器不做研究。
功率放大器[4][5]是一种将电源所提供的能量提供给交流信号的器件，使得无线信号可以有效地发射出去。根据功率放大器的分析模型（泰勒级数模型），可以清楚地了解
到当输入信号的幅度很小的时候，对于功率放大器的非线性特性影响很小。但是当输入信号的幅度比较大的时候，就会对功率放大器的非线性产生很大的影响，所以说对功率放大器的非线性性能产生影响的关键因素就是输入信号幅度的增强并且不断地变化。但随着无线用户数量人数的不断增加，大自然中有限的通信频段变得越来越拥挤。面对现在这种问题，业界就必须在频谱的利用效率上想办法，使得频谱的利用率得到有效的提高。为了提高频谱的利用效率，线性化调制技术技术譬如正交幅度调制（QAM）、正交相位键控（QPSK）、正交频分复用（OFDM）就在现代的无线通信之中就被广泛的应用，因为这几种技术的频谱利用率更高。但是这些线性化调制技术都是包络调制信号，这就必然会引入非线性失真的问题。
众所周知，现在所有无线通信系统都不希望有干扰信号的存在或者是尽量小的干扰。但是通信系统中的很多有源器件都是非线性器件，一旦包络调制信号通过该系统时，就会产生很严重的非线性失真，非线性失真是由于大量谐波信号产生的，谐波的频段很多时候会影响到相邻的信道中的信号，这就会对相邻信道产生干扰。这里提别要提到的是如果信号通过高功率和高频率的射频发射系统，器件的非线性产生的谐波虽然比系统所需要输出的信号小很多，但是谐波信号非常多，一旦那些无用的信号叠加起来，必然会对系统产生一定程度的干扰，因此高功率高频率的射频发射系统的输入信号也必须控制在一定的幅度范围以内。
第一代和第二代无线通信系统都是采用恒包络调制技术调频(FM)、最小频移键控(MSK)等，这几种技术的信号幅度是恒定的，对系统产生的非线性失真是一个确定的值，所以采用简单的滤波器就可以消除谐波之间的干扰。但对于那些包络变化的线性化调制技术就必须采用线性发射系统。这里就会引入本文所要讨论的焦点——线性化技术。前面框图已经提到发射系统的基本框架，一般包括混频器、功率放大器、天线、低噪声放大器等器件，然而发射系统中非线性最强的器件是功率放大器，同时发射系统都要求有尽量高的发射效率，所以为了效率，射频功放基本都工作在非线性状态，所以如何提高功率放大器的线性度就显得异常关键。
现在整个通信领域，射频功率放大器的线性化技术已成为一个越来越重要的研究领域，主要体现在以下几个方面：
1.提高效率是主要原因；
2.多载波调制技术的应用[6]；
3.多载波系统需要线性化的功率放大系统；
4.自适应天线的需要[7]；
5.动态分配信道的要求；
6.对于软件无线电为代表的新兴无线通信技术使用的需要。
1.2 射频功放及其线性化技术国内外研究现状
1.2.1 射频功放国内外研究现状
射频功率放大器是射频前端的关键部件，功放的好坏对一个发射系统的性能起到决定性的影响。随着无线通信的开始，射频功放就已经开始研究，而且随着时间的推移，射频功放的性能也逐年提高，价格也越来越便宜。当今世界，射频功放的业界权威有美国的RFMD、Skyworks两家，他们分别掌控着功放领域世界百分之四十的份额，对于射频功放的走向起到决定性作用。当然国内还有很多该领域的公司，比如上海的锐迪科无线通信有限公司，专攻于时分同步码分多址（TD-SCDMA[8]）类型的手机功放，在国内是该领域的领导者,下面主要简单介绍下在射频功放领域的部分研究成果。
美国的工程师Cripps, S.C及其团队研究了一种应用于无线通信系统的射频功率放大器，这个放大器可以使输出功率达到34dBm,功率附加效率（PAE）达到42%[9]。Raab.F.研究了E类功率放大器的理想化工作方法，他不仅提出了如何关于高效功率放大器的设计，而且在工作频率方面还得到了很大的提高[10]。Doherty, W.H等人研究了一种运用于已调信号的新的高效功率放大器，功率放大器的效率可以从60%一直提升到65%，性能比较明显[11]。1999年King-Chun Tsai和Gray, P.R等人研究了一种应用于无线通信系统输出功率为1W工作频率为1.9G基于CMOS工艺的E类功率放大器，当时用CMOS 工艺可以达到这种输出功率和频率算是一个很大的进步而且功率附加效率达到48%[12]。Stengel等人研究了一种利用线性信号通过非线性器件技术（LINC）来优化功率放大器的效率的方法，该种方法使得输出效率得到了很大的提高[13]。Kyoung-Joon Cho和Jong-Heon Kim等人研究了一种利用前馈技术来提高WCDMA基站中功率放大器线性化的方法，运用该技术使得功放的1dB压缩点提高了6dB,PAE提高了2.2%，相邻信道功率比(ACPR)达到了-60dBc[14]。Shirvani等人研究了一种基于CMOS工艺的并行功率放大器可以有效地控制效率，最高PAE超过了48%[15]。
1.2.2 射频功放线性化技术国内外研究现状
上个世纪二十年代，功率放大器的线性化技术的研究便已经开始了，研究者通过不停的研究和创新，到目前为止已经发明了很多专利，同时也发表很多关于这方面的论文。西南交通大学微电子研究所的论文关于如何提高前馈功率放大器性能，他们将功放的线性度提高了5dB，PAE提高了2.5%[16]。Stephen和Grant James等人研究了一种用数字信号处理(DSP)控制自适应前馈技术的功率放大器，线性度提高了10dB[17]。Gokceoglu 和Ahmet研究了一种应用于宽带功率放大器线性度的自适应前馈技术，这里所设计的自适应前馈技术对于互调失真的影响是可以避免的，甚至可以对功放的收敛性起到一定的改善作用[18]。Alfonso和Bertran等人研究了一种利用模拟电路来设计自适应前馈放大电路的方法，该方法电路结构简单，不需要复杂的算法，线性度提升了8dB[19]。下面结合原理图简单介绍下前馈线性化技术和反馈线性化技术。
1928在贝尔实验室工作的Harold.S.Black发明了前馈技术（如图1.2所示）和负反馈技术（如图1.3所示），同时将这些技术成功应用到放大器之中，从而有效地减少了放大器的失真，这两个技术原理简单，性能优良，但当时主要是从器件的角度来提高功率放大器的线性度指标的，而且所研究的功率放大器的工作频率也较低，所以存在着很多的局限性，性能不如现在流行的自适应算法，但在当时已经使信号的线性度有了很大的提高，同时该技术是第一次提出，可以认为是线性化研究的开端。
图1.2 前馈线性化技术的系统框图[20]
前馈系统是开环系统且无条件稳定，相比于反馈线性化技术和预畸变技术，前馈技术对于功放的线性度的提升是最为明显的。但是前馈也有很多的局限性，复杂、精度要求高等，自然而来成本就相对大了很多，如果对于那些成本优先的设计公司来说，就必
须仔细考虑这个问题。
图1.3 负反馈技术[30]
负反馈线性化技术历史悠久，可以说是最早发明的一种线性化技术，所以该技术被广泛地应用在很多领域，很多模拟电路的教科书都将反馈作为一种最基本的电路模型进行阐述。可以说在线性化系统中负反馈技术有很多明显的优点：比如对失真有比较理想的抑制作用，负反馈线性化技术还可以控制功放的输入输出阻抗和减小噪声的影响，减小功放元件对温度的敏感性[21]。当然负反馈技术也存在着很多不可忽视的缺点：负反馈在改善系统线性度的同时是需要牺牲功放的增益，用来达到压缩信号的失真。负反馈技术带宽非常有限不适合宽带放大电路，若相位控制不好，很容易产生正反馈导致系统的不稳定。
1.2.3 模拟预畸变线性化技术
预畸变线性化技术是一种被工业界和学术界广泛使用的射频功率放大器线性化技术之一，图1.4就是一个开环预畸变系统。根据预畸变器放在发射机中的不同位置，可以分为基带预畸变技术、中频预畸变技术和射频预畸变技术,根据预失真器处理信号的不同形式，又可以分为数字预畸变技术和模拟预畸变技术[21]。预畸变技术是当前处理功率放大器非线性特性较好的技术之一，这个技术的基本思想是:通过在功率放大器和输入信号之间插入一个产生反向功率放大器（PA）特性的响应预畸变模块（PD）对输入的信号先进行适当的预处理之后再馈入PA之中以补偿由PA的非常而产生的AM-AM、AM-PM失真，最终结果是使得整个PA和PD级联电路的输入输出特性呈现线性的关系。简而言之，这种技术就是预先使功率放大器的输入信号的幅度和相位产生预定的反畸变去抵消功率放大器本身所存在的非线性失真。基于模拟预畸变技术的射频功率放大器线性化研究是本文的主要研究内容，这里主要就三阶模拟预畸变系统中一些关键的技术问
题进行了一些研究。
图1.4开环预失真系统框图
图1.5 预畸变技术实现机理[21]
跟反馈技术相比，预畸变技术的优点是不存在稳定性的问题，有更宽的频带，能够同时处理含多载波的信号。
1.2.3.1 模拟预畸变国内外研究现状
模拟预畸变技术主要从晶体管器件的非线性特性展开的。从整个研究领域来看，第一次出现模拟预畸变思想来源于MacDonald的利用一些具有与三极管输入输出特性相反的非线性器件用来补偿三极管本身所具有的非线性的方法。之后又有很多该领域的研究成果和专利出现，Stapleton和Costescu等人研究了一种基于相邻信道功率放大器的自适应预畸变器，这个方法主要对输入信号先进行预畸变，三阶互调信号和五阶互调信号分别压缩了15dB和5dB左右[22]。Jeonghyeon Cha和Jaehyok Yi 等人优化了一种应用于宽带码分多址（WCDMA）射频功放预畸变电路，使得输出功率在4W的时候相邻信道功率比（ACPR）达到了46dBc[23]。P. Draxler和J. Deng等人研究了功率放大器的记忆效应和预畸变电路，通过预畸变电路对射频功放的线性度性能提高了15dB,同时互调失真(IMD)压制到了30dBc[24]。Yong-Sub Lee、Mun-Woo Lee和Yoon-Ha Jeong研究了利用互调失真设计的模拟预畸变器的功率放大器并且成功应用于WCDMA系统，三阶互调
和五阶互调失真分别压缩到了60dBc和68dBc,并且输出功率的频率范围可以成功覆盖了四个载频[25]。D.Giesbers和S.Mann等人研究了一种射频功放的自适应数字预畸变器，仿真结果表明系统的三阶互调失真和五阶互调失真可以达到40dBc[26]。东南大学的Jingqi Wang和Yingjie Xu等人研究了基于F类功率放大器的数字预畸变技术，测试结果表明功放的相邻信道功率比（ACPR）从 -35.4dBc减少到 -51.9dBc ，该功放是基于正交频分复用（OFDM）带宽为8MHz， PAE 为31.3% 输出功率为33.6dBm[27]。Pooria Varahram和Somayeh Mohammady等人研究了一种带有记忆效应WCDMA功率放大器的复杂增益预畸变技术，这是一种了结合了记忆效应和预畸变的复杂技术，仿真结果表明对于提高ACLR 和EVM 有显著效果[28]。Maria-Gabriella和Di Benedetti等人研究了一种新的模拟预畸变电路来提高功率放大器的线性度，该电路可以应用与正交幅度调制(QAM)系统[29]。
1.2.3.2 各种线性化技术性能的比较
在以上讨论的各种线性化技术中，前馈线性化技术具有较宽的带宽和较好的线性度改善，但是效率不高。负反馈技术对失真有比较理想的抑制作用，还可以控制功放的输入输出阻抗和减小噪声的影响，减小功放元件对温度的敏感性，但负反馈技术在改善系统线性度的同时是需要牺牲功放的增益，用来达到压缩信号的失真。负反馈技术带宽非常有限不适合宽带放大电路，若相位控制不好，很容易产生正反馈导致系统的不稳定。
预畸变线性化技术具有无条件稳定、成本低廉、带宽适中等优势。模拟预畸变电路不但系统结构简单成本低，而且线性度改善较好同时带宽适中。但是模拟预畸变的工作带宽受限于模拟预畸变器和功放本身的相位平坦度和增益。
下面将各种线性化技术的优缺点归纳如下表所示[20]：
从上表之中可以看到，模拟预畸变的矫正带宽较好，成本相对也较低。虽然在线性度的改善上面有一定的局限性。但在本设计中，模拟预畸变技术在线性度的改善上面可
以满足本论文的要求，同时在效率上面，模拟预畸变技术处于中等水平。
通过以上对比分析，本文选择了模拟预畸变器作为改善功率放大器线性度的方法。
1.3 本文的主要工作
本文的主要工作为先对射频功率放大器进行一部分章节的介绍，对一个已经设计好的功放电路进行进行仿真，看其中的各个指标，包括射频功放的线性度、效率、增益、相邻信道功率比，输出功率等主要性能指标进行仿真及其分析。下一步就是设计本论文所提及的模拟预畸变电路的设计，之后将设计好的电路和原来的功放放在一起进行仿真测试，看射频功率放大器的性能是否有一定的提升。当然，主要需要观察的还是射频放大器的线性度的问题，同时也是需要观察功率放大器的效率，增益，输出功率，相邻信道功率比是否有所变化，在提高线性度的同时，是否对射频功放的其他方面有所影响，是变好了还是变差了，都需要结合仿真软件进行分析，观察其中的不足，看是否有改进的可能。
1.4 论文基本章节框架
第一章引言
主要介绍了因为通信系统的不断发展，使得信道变得越来越拥挤，从而便引发了关于功率放大器线性度的问题。然后简要介绍了诸如反馈、前馈、预畸变等各种线性化技术的优缺点并进行了比较并介绍了国内外的研究进展及其自己的设计思路概述。
第二章射频功率放大器设计
讲述一些射频专业术语和功率放大器的各种类型，主要是A类、B类、AB类、C 类、D类、E类、F类功放的简单介绍和理论推导等，同时设计一个射频功率放大器。
第三章模拟预畸变电路设计
主要是关于预畸变电路设计及其性能仿真分析，同时与传统预畸变电路性能进行对比，观察其中的性能变化，之后观察其中的不足之处，寻找可以改进的地方。
第四章射频功放线性度联合仿真
主要是关于射频功放与预畸变电路的联合仿真，观察功放的线性度变化。
第五章结论及其展望
本章主要是对以上结论进行的总结，依照本人对该领域的了解，对未来发展进行展望。
第2章 射频功率放大器设计
2.1 射频指标
能够比较充分地了解一些射频指标对于很好的理解我下面所做的工作是有帮助的，所以，接下来先介绍一下部分射频指标。
2.1.1 效率
对于射频功率放大器而言效率是一个非常关键参数。当输入功率是有限时这一点就显得很重要了，例如在用电池供电时，比如便携或移动设备之中，同样对高功率设备也是非常重要[31]。
效率是输出功率与输入功率之间的比值，即为输出的射频功率与输入的直流功率和信号功率之和之间的比值。然而，这个定义也是太广了，可能有不同的输出功率和输入功率。输入功率一般包含输入的直流功率（即由直流电源提供的功率）和输入功率（RF 输入功率）。最常见的定义如下图2.1所示：
图2.1 在射频功放中的效率定义
一般定义的公式如式2.1，其中0P 为输出功率，dc P 为直流电源提供功率。
0dc
P P η= (2.1) 2.1.2 相邻信道功率比
相邻信道功率比（ACPR ）是用来衡量邻频率信道中的干扰量或功率量的标准，ACPR
常定义为邻频率信道（或偏移量）的平均功率和发射频率信道的平均功率之比，ACPR 是 CDMA 发射方及其组成部分的关键衡量方式，它描述了因 RF 组成中的非线性因素引起的失真值[20]。
图2.2 ACPR 示意图
2.1.3 增益
增益即为输出射频功率与输入射频功率之间的比值，单位一般为dB(分贝)，可以表示为式2.2，其中in P 为输入功率，out P 为输出功率。
10lg in out
P Gain P = (2.2) 2.1.4 噪声系数
对于绝大部分的射频和微波电路而言，噪声起着举足轻重的作用，因为噪声最终决
定了使得接收机可以检测到最小信号的门限[32]。
噪声系数指的是输入与输出信噪比的比值，如式2.3所示，其中i i S N 和o o S N 为输入信噪比和输出信噪比。
i
i
o o S N S N F = (2.3)
2.1.5 增益压缩
这里先假设输入的信号为单频信号通过一般的非线性网络，设
cos i v A t ω= (2.4)
则输出信号为
2300123i i i v k k v k v k v =++++L
23231102132
242()()cos cos 2k k A k A k A t k A t ωω=+++++L (2.5) 从上式可以看出频率ω的电压增益为
23134v G k k A =+ （2.6）
一般来讲在大多数的放大器之中3k 基本上是负值，所以说基频ω的增益v G 会随着A 而变小，这个效应就叫做增益压缩,这里还有一个重要的概念1dB 压缩点，就是基频的实际输出功率比理想情况下小1dB 所对应的功率电平点[32]。
2.1.6 交调失真
交调失真就是当输入信号的频率有两个及其以上的时候出现的一种信号失真效应（这里具体不做推导，只写出结果）。假设输入的信号分别为1ω和2ω，除了出现二次三次谐波之外，还会出现如二阶交调信号12ωω?、12ωω+和三阶交调信号122ωω±、212ωω±，其中12ωω?会使电路的静态工作点发生漂移，122ωω?和212ωω?正好落在通带内，是主要的干扰信号，必须加以考虑，其他频率的信号可以用滤波器滤除[32]。
2.2 射频功率放大器
射频功率放大器（RFPA ）应用于发射机末级，将已调信号放大到所需功率值，送天线发射,为提高效率而设计成各种工作状态[31]：
1. A 类工作状态：输入正弦波的一周期内，功率管全导通。输入是正弦波，输出也是正弦波，且频率相同，因此是同频线性放大器。
2. B 类（乙类）工作状态：输入正弦波的一个周期内，功率管半个周期导通，半周期截止,形成半波失真输出，产生多次谐波,常用LC 并联谐振回路选频：同频放大和倍频放大。
3. C 类（丙类）工作状态：在输入正弦波的一周期内，功率管导通时间小于半个周
期。输出为小于半个周期的余弦脉冲，从而形成丰富的谐波输出。同频放大和倍频放大。
4. 高效功率放大器：为了进一步提高效率，要求功率管处于开关状态,包括双管D 类功放、单管E 类功放和单管F 类功放。
2.2.1 A 类射频功率放大器
对于A 类功率放大器，它的静态工作点必须选择在射频率可以工作的范围之内。因此必须整个射频周期之内，必须确保一个360度的通角，如图2.3所示：
图2.3 简单的A 类功放原理图
从上图中做如下说明：
RF 是理想扼流圈，它没有电阻存在，并且它在目前的工作频率下电抗为无穷大。所以可以看出RF 中有一个输入电流dc I ，该电流由偏置电路控制。
d C 在该工作频率之下为一个隔直电容。
有源器件作为一种理想的控制电流源。在这种理想情况下，是忽略了饱和电压饱和电阻的影响。有源器件的传输特性是完全成线性的。
下面推导一下A 类功放的理论公式：
0()sin dc i I I θθ=? (2.7)
其中2t ft θωπ==，输出电流时正弦波
000()sin sin dc dc i V V V RI θθθ=+=+ (2.8)
则集电极电压为
00()sin sin dc dc v V V V RI θθθ=+=+ (2.9)
图2.4 A 类放大器的工作波形
微波线性功率放大器综述 1概述 微波线性功率放大器在现代微波（无线）通信系统中的重要性越来越大。特别是在CDMA 体制移动通信系统中，线性功率放大器已经是必不可少的重要部件。 2基本指标 2.1 AM/AM AM/PM失真 一个HPA的线性特征可以用AM/AM和AM/PM 曲线来表示. 输入的RF 信号可以表示为： x(t)=R i(t)?cos[ω0t+θx(t)] (1) 相应的输出表示为： y(t)=G[R i(f)] ?cos{ω0t+θx(t)+ψ[R i(f)]} (2) 其中G和ψ表示AM/AM 和AM/PM曲线，如图一。 图. 1 实测的放大器失真曲线 理想的线性功放的曲线如图2。 图. 2 理想的放大器AM/AM和AM/PM曲线
2.2 双音IMD 、IP3、P1dB 双音IMD ，在放大器输入端加入两个CW 信号，在放大器的输出端测量的3阶、5阶等信号大小，以dBc 表示。 IP3 IMD 、IP3及P 1dB 定义图示 2.3 ACPR ACPR 主要应用在象CDMA 这样的宽频谱信号的研究上。邻道功率（ACP ）定义为当主信道加一信号时，紧邻主信道的两个信道内的功率大小。邻道功率的产生主要来自两个方面，一是由于器件的非线性作用产生，二是由于主信道信号本身频谱较信道宽。ACPR 定义为ACP 功率与主信道功率的比值。 图3 邻道功率（ACP ）定义 图4 器件非线性产生的邻道功率 对移动通信的CDMA 信号而言，其IM3（即ACPR ）与IP3的关系可以通过一公式表示。 IP3=-5log[P IM3(f 1,f 2)B 3/P O [(3B-f 1)3-(3B-f 2)3]]+22.2 (dBm) 其中： P IM3(f 1,f 2) 表示要求的IM3的输出功率（W ） B 表示二分之一CDMA 信号带宽 （KHz ） f 1,f 2表示两个边带频率相对于中心频率的差值（KHz ）
线性化微波功放现状及发展趋势 学院：电子工程学院 专业：电磁场与微波技术 教师：徐瑞敏教授 姓名：XXX 学号：2014210202XX 报告日期：2014.10.26
线性化微波功放现状及发展趋势 一、引言 电磁波和低频率端相比高频率端拥有其独特的优点，近年来尤其是微波毫米波电路作为航空航天的无线通信手段得到广泛应用。但是在几乎所有的微波电子系统中，要将信号放大都需要微波功放，因此微波功放在微波有源电路中拥有了无可比拟的重要地位。对微波功放,除了有一定的功率输出和增益指标以外,线性度也是一个十分重要的指标。例如在微波测试设备中,由于功放的非线性失真所产生的谐波往往影响了测试精度;在移动通信的基站和移动站中,功放的非线性失真往往会产生邻道干扰,从而引起信号失真。因此,在这些设备中对功放的线性度提出了很高的要求。 对功放线性度的衡量可从两个指标来考察:一为谐波抑制度,当放大器输人频率为f0的单频信号时,由于非线性失真,会产生频率为nf0等的谐波,如图1所示,输出主频与谐波的功率电平之差即为谐波抑制度,用dBc表示。 第二个衡量指标为三阶交调系数。当放大器输人一定频率间隔(例如SMH:)、幅度相同的频率为f,和f:两信号时,由于非线性失真,在放大器输出端除了放大的f’,和f:外,还有2j,;一J:和2j:一f,,此为三阶交调频率,如图1(b)所示,主频与三阶交调频率的功率电平之差即为功放的三阶交调系数,用(IBc表示也可用一分贝压缩点来表示功放的线性度的,一分贝压缩点与三阶交调之间具有换算关系。 二、功率放大器的非线性特性 现在一方面人们追求更高的功率利用率，另一方面是日益发展的无线通信产业的要求迫使我们不得不给予功率放大器的线性化问题以足够重视。要研究线性化技术，首先必须了解功率放大器的非线性失真特性，以做到有的放矢。 理想情况下，功率放大器工作在线性状态，传输系数与输入信号的幅度和相位无关。但在实际情况中并非这么简单，由于晶体管的特性，在达到一定输入功率时，放大器将呈现出非线性。信号的输入输出不在是上面简单的函数关系。放大器随着输入信号的增大，从线性区进入非线性区，此时功放的增益不再是常数，而是一个与输入信号有关的变量，输入输出呈非线性，甚至在达到一定输入功率后，功放输出将不再增加。此外功率放大器输出端产生了与输入频率有关的新的频率分量，当信号输入时，除了基波分量，还会出现各阶互调分量和高次谐波分量。这种非线性特性，在通信系统中对相邻信道的干扰，降低系统的性能。对于
实验四：射频功率放大器 【实验目的】 通过功率放大器实验，让学生了解功率放大器的基本结构，工作原理及其设计步骤，掌握功率放大器增益、输出功率、频率范围、线性度、效率和输入/输出端口驻波比等主要性能指标的测试方法，以此加深对以上各项性能指标的理解。 【实验环境】 1．实验分组：每组2~4人 2．实验设备：直流电源一台，频谱仪一台，矢量网络分析仪一台，功率计一只，10dB衰减器一个，万用表一只，功率放大器实验电路 板一套 【实验原理】 一、功率放大器简介 功率放大器总体可分成A、B、C、D、E、F六类。而这六个小类又可以归入不同的大类，这种大类的分类原则，大致有两种：一种是按照晶体管的导通情况分，另一种按晶体管的等效电路分。按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角大小，功率放大器可分A、B、C三类。在信号的一周期内管子均导通，导θ（在信号周期一周内，导通角度的一半定义为导通角θ），称为A 通角? =180 θ。导通时间小于一半周期的类。一周期内只有一半导通的成为B类，即? =90 θ。如果按照晶体管的等效电路分，则A、B、C属于一大称为C类，此时? <90 类，它们的特点是：输入均为正弦波，晶体管都等效为一个受控电流源。而D、E、F属于另一类功放，它们的导通角都近似等于? 90，均属于高功率的非线性放大器。 二、功率放大器的技术要求 功率放大器用于通信发射机的最前端，常与天线或双工器相接。它的技术要求为： 1. 效率越高越好 2. 线性度越高越好 3. 足够高的增益
4. 足够高的输出功率 5. 足够大的动态范围 6. 良好的匹配（与前接天线或开关器） 三、功率放大器的主要性能指标 1.工作频率 2.输出功率 3.效率 4.杂散输出与噪声 5.线性度 6.隔离度 四、功率放大器的设计步骤 1.依据应用要求（功率、频率、带宽、增益、功耗等），选择合适的晶体管 2.确定功率放大器的电路和类型 3.确定放大器的直流工作点和设计偏置电路 4.确定最大功率输出阻抗 5.将最大输出阻抗匹配到负载阻抗（输出匹配网络） 6.确定放大器输入阻抗 7.将放大器输入阻抗匹配到实际的源阻抗（输入匹配网络） 8.仿真功率放大器的性能和优化 9.电路制作与性能测试 10.性能测量与标定 五、本实验所用功率放大器的简要设计过程 1. PA 2. 晶体管的选择 本实验所选用的晶体管为安捷伦公司的ATF54143_PHEMT，这种晶体管适合用来设计功率放大器。单管在～处能达到的最大资用增益大于18dB，而1dB压缩点高于21dB。
1.1 研究背景 随着人类社会进入信息化时代，无线通信技术有了飞速的发展，从手机，无线局域网，蓝牙等，到航空航天宇宙探测，已经深入到当今社会生活的各个方面，成为社 会生活和发展不可或缺的一部分。无线通信设备由最初体积庞大且功能单一的时代， 发展到如今的口袋尺寸，方寸之间集成了各类功能强大的电路。这些翻天覆地的变化，都离不开射频与微波技术的支持。而急速增长的应用需求又促使着射频微波领域不断 的研究，更新换代。快速的发展使得射频微波领域的研究进入了白热化阶段，而在几乎所有的射频与微波系统中，都离不开信号的放大，射频与微波功率放大器作为系统中功耗最大，产生非线性最强的模块，它的性能将直接影响系统性能的优劣，由于其在射频微波系统中的突出位置，功率放大器的研究也成为射频微波领域研究的一个十 分重要的方向[1]。 功率放大器作为射频微波系统中最重要的有源模块，其理论方面已经十分成熟。 A 类、 B 类、 C 类、 D 类、AB 类、E/I E 类、F/I F 类、Doherty等各类功率放大器也已经成功应用到各个领域。 1.2射频功率放大器的发展现状 射频功率放大器的核心器件为其功率元器件——晶体管，它是一种非线性三端口有源半导体器件，它的放大作用，并不是晶体管能凭空产生能量，使能量放大，而是 完全由集电极(BJT)或漏极(FET)电源的直流功率转换而来的。晶体管只是起到了一种控制作用，即用比较小的信号去控制直流电源产生随小信号变化的大信号，从而把电源的直流功率转换成为负载上的信号功率。功率放大器的理论知识发展已经十分完 善，其面临的更多是一些工程的问题。所以，射频功率放大器性能的提升主要来自于 晶体管性能的提升，即半导体技术的发展，和放大器本身电路形式的改进。根据晶体管所用的半导体材料的不同，可以大体将其分为三个不同的发展阶段。第一代半导体材料以硅(Si)和锗( Ge)等元素半导体为主。第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、磷化铟( InP)、锗硅(SiGe)等化合物半导体为代表，相比于第一代半导体材料，其禁带更宽、
?阻抗变换器和阻抗匹配网络已经成为射频电路以及最大功率传输系统中的基本部件。为了使宽带射频功率放大器的输入、输出达到最佳的功率匹配，匹配电路的设计成为射频功率放大器的重要任务。要实现宽带内的最大功率传输，匹配电路设计非常困难。本文设计的同轴变换器电路就能实现高效率的电路匹配。同轴变换器具有功率容量大、频带宽和屏蔽好的特性，广泛应用于VHF/UHF波段。常见的同轴变换器有1:4和1:9阻抗变换，如图1所示。但是实际应用中，线阻抗与负载不匹配时，它们的阻抗变换不再简单看作1:4或1:9.本文通过建立模型，提出一种简化分析方法。 1 同轴变换器模型 同轴变换器有三个重要参数：阻抗变换比、特征阻抗和电长度。这里用电长度是为了分析方便。当同轴线的介质和长度一定时，电长度就是频率的函数，可以不必考虑频率。 1.1理想模型 理想的1:4变换器的输入、输出阻抗都匹配，每根同轴线的输入、输出阻抗等于其特征阻抗Z0，其等效模型如图2所示。
其源阻抗Zg与ZL负载阻抗变换比为： 图2和公式（1）表明：变换器的阻抗变换比等于输入阻抗与输出阻抗之比。 同轴变换器的输入阻抗等于同轴线的输入阻抗并联，输出阻抗等于同轴线的输出阻抗串联。 1.2通用模型 由于特征阻抗是实数，而源阻抗与负载阻抗一般都是复数，所以，就不能简单的用变换比来计算。阻抗匹配就是输入阻抗等于源阻抗的共轭，实现功率的最大传输。特征阻抗为Z0，电长度为E的无耗同轴线接复阻抗的电路如图3所示。 由于源阻抗与同轴线特征不匹配，电路的反射系数就不是负载反射系数。 由于同轴线是无耗的，进入同轴线的功率就等于负载消耗的功率。那就可以把电路简化只有一个负载Zin，又因为Zg与Zin都是复数且串联，就可以把Zg中的虚部等效到Zin中，最后得到反射系数为： 其中：
射频功率放大器的建模 随着通信技术的发展，射频射频电路在通信系统中得到了广泛的应用。功率放大器的研究和设计一直是通信发展中的重要课题。近年来，基于模糊神经网络的射频器件和电路建模建模的研究取得了巨大的成果，对大规模集成电路和复杂电路的建模有着巨大的启发意义，成为当今研究的热点之一，本文将基于这个理论对射频放大器进行建模和研究。1 建模方法的介绍本文将采用模糊逻辑网络中的一阶Sugeno模型，为了实现Sugeno 模糊推理系统的学习过程，一般将其转化为一个自适应网络，即自适应模糊神经推理系统，。该自适应网络是一个多层前馈网络，它可以分为5层，其中的方形节点需要进行参数学习。下面分别介绍这五层。图1 自适应模糊神经推理系统结构第1层计算输入变量的匹配度，即模糊化过程。假设模糊集采用高斯函数，那么该层输出( Oi表示第j层的第i个输出)为:对y 的计算同理， ci， σ i 分别表示高斯函数的中心和宽度，是模糊规则前提条件中需要调节的参数。第2 层计算当前输入对各条规则的激励强度，采用对规则前件部分各模糊变量的隶属度作乘积运算，即:第3层对激励强度进行归一化:第4层计算每条规则的输出，一条规则的输出是给定输入对该条规则的激励强度与结论部分的乘积:第5层计算模糊系统的输出，总的输出是所有规则输出之和:由此可见这一模糊逻辑系统定义了从x、y 到z 之间的一个映射:通过对模糊规则中各参数的精心选择，可准确地刻画变量之间的关系。用模糊逻辑建模可以把整个建模过程分成两步: 初始模型的建立和模型的后续训练调整。初始模型的建立除了可根据该领域已有的一些经验、知识外，现在还可以根据一组训练样本数据，运用一定的算法确定输入变量与输出变量的模糊集个数与相应的隶属度函数的形状，及一组模糊规则。有了这样一个初始模型后，再用学习算法，如BP算法、DFP算法，来调整隶属度函数中的参数，逐步减小系统的模糊输出值跟实际输出值之间的误差，可取得较好的效果。 2 建模过程在下面的实例中应用ANFIS进行建模的步骤如下:( 1)在ADS中对设计好的功放电路进行仿真，这里分别对输入为单音信号、双音信号以及调制信号的功放电路进行仿真，最终目的是建立一个描述输入输出端口关系的行为模型，故选择输入和输出的电压数据用以训练之用。( 2)编写程序，预设ANFIS中的参数值，确定隶属度函数的类型、模糊规则的条数、迭代次数、模糊集的个数等，建立初始模型，并完成对训练数据的学习;( 3)利用检测样本数据检验所建立的模型; 采用最小二乘法和梯度下降法对模型的参数进行调整。( 4)观察检测结果，若检测误差满足精度要求，建模结束，若不满足，继续调整。本文采用一个三输入单输出的初始模型，输入变量选为Vin ( k )， Vin ( k- 1)， Vout ( k- 1)三个输入变量，其中Vin ( k ) 为输入电压，变量Vin ( k - 1 ) 用Vin ( k- 1) = Vin ( k ) - Vin ( k - 1)的差分形式来替换。Vout ( k- 1)为考虑记忆效应而加入的项，即前一刻的输出量。输出变量为一单变量Vou t ( k )。这样可以将整个需建模的电路输入输出的动态关系用式( 7)予以表达:模型采用高斯隶属度函数，模糊规则条数为[ 2 12]，共四条，采用平均分割法。 3 应用实例以下是一个基于SM IC 技术设计的射频功率放大器功率放大器，。它的设计指标如下:S11< - 15 dB， S21> 20 dB， P1 dB > 20 dBm，PAE 30% ， Pgain > 20 dB。图2电路中选用SM IC 库中的NMOS管，其他元件参数如表1~ 3所示。表1 元件参数单位: pF表2 元件参数单位: nH表3 元件参数单位: kΩ电路工作在2. 45 GHz 下，输入功率为RF_input= - 20 dBm~ 10 dBm(间隔1 dBm)的信号，对电路进行HB仿真，并选取时域下两个周期的抽样输入输出电压抽样数据作为训练数据。检验数据的选取与上述类似，可以选择输入功率RF_input= - 19. 5 dBm~10. 5 dBm (间隔为1 dBm )内的一组或多组信号。建模结果，图3是输入功率为6. 5 dBm和- 6. 5 dBm 时，稳态输出电压的结果。图4是利用输入功率为7. 5 dBm 时模型得到的时域数据，选取一个周期的输出电压数据做FFT 变换，得到电压信号频谱，对基波及二到五次谐波电压分别计算功率谱，并与
5G时代的射频功率放大器研究报告 5G 时代，射频功率放大器需求有望多点开花 投资建议 ?行业策略：射频功率放大器（PA）作为射频前端发射通路的主要器件，通常 用于实现发射通道的射频信号放大。5G 将带动智能移动终端、基站端及 IOT 设备射频PA 稳健增长，智能移动终端射频PA 市场规模将从2017 年的 50 亿美元增长到2023 年的70 亿美元，复合年增长率为7%，高端LTE 功率 放大器市场的增长，尤其是高频和超高频，将弥补2G/3G 市场的萎缩。 GaAs 器件是消费电子3G/4G 应用的主力军，5G 时代仍将延续，此外，物联 网将是其未来应用的蓝海。GaN 器件则以高性能特点目前广泛应用于基站、 雷达、电子战等军工领域，在5G 时代需求将迎来爆发式增长。5G 时代，射 频功率放大器需求有望多点开花，建议买入行业龙头。 推荐组合：我们认为，随着5G 进程的加快，5G 基站、智能移动终端及IOT 终端射频PA 将迎来发展良机，使用量大幅增加，看好细分行业龙头，推荐： CREE 、Skyworks、稳懋、三安光电、环旭电子，建议关注：海特高新 （海威华芯）、旋极信息（拟收购安谱隆）。 行业观点 ?5G 推动手机射频PA 量价齐升：4G 时代，智能手机一般采取1 发射2 接收 架构，预测5G 时代，智能手机将采用2 发射4 接收方案，未来有望演进为 8 接收方案。功率放大器（PA）是一部手机最关键的器件之一，它直接决定 了手机无线通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是整个射频系统中除基 带外最重要的部分。手机里面PA 的数量随着2G、3G、4G、5G 逐渐增加。 以PA 模组为例，4G 多模多频手机所需的PA 芯片为5-7 颗，预测5G 手机内 的PA 芯片将达到16 颗之多，价值量超过7.5 美元。5G 智能终端射频前端 SIP 将是大势所趋，高通已发布5G 第二代射频前端模组，MEMS 预测，到 2023 年，用于蜂窝和连接的射频前端SiP 市场将分别占SiP 市场总量的82% 和18%。按蜂窝通信标准，支持5G（sub-6GHz 和毫米波）的前端模组将占 到2023 年RF SiP 市场总量的28%。高端智能手机将贡献射频前端模组SiP 组装市场的43%，其次是低端智能手机（35%）和奢华智能手机（13%）。 ?5G 基站，PA 数倍增长，GaN 大有可为：4G 基站采用4T4R 方案，按照三 个扇区，对应的射频PA 需求量为12 个，5G 基站，预计64T64R 将成为主流 方案，对应的PA 需求量高达192 个，PA 数量将大幅增长。目前基站用功率 放大器主要为LDMOS 技术，但是LDMOS 技术适用于低频段，在高频应用 领域存在局限性。我们研判5G 基站GaN 射频PA 将成为主流技术，逐渐侵 占LDMOS 的市场，GaAs 器件份额变化不大。GaN 能较好的适用于大规模 MIMO，预计2022 年，4G/ 5G 基础设施用RF 半导体的市场规模将达到16 亿美元，其中，MIMO PA 年复合增长率将达到135%，射频前端模块的年复 合增长率将达到119%。 ?5G 时代，窄带物联网设备射频前端迎来发展新机遇：在手机市场追求更快 更强的同时，有另外一个市场就是窄带物联网(Cat-M /NB-IoT)，NB-IoT 虽 然有要求和LTE 相同的上行功率(power class3)，但是信号的峰均比较低。另 外，NB-IoT 采用半双工方式工作，避免使用FDD 双工器，PA 后端的插入损 耗小。这些因素可以让NB-IoT 的PA 更加偏向于非线性的设计，同时采用更 小的Die 设计，从而达到节省成本和提高效率的目的。对于NB-IoT PA 来 讲，超宽带、低电压、极端温度和低成本是重点要考虑的方向。 风险提示 ?智能手机及基站射频PA 被国际巨头垄断，技术难度较大，国内进展缓慢， 合格率较低，成本居高不下，射频PA 需要持续性投入。
射频功率放大器实时检测的实现 广播电视发射机是一个综合的电子系统，它不仅包括无线发射视音频通道，而且还包括通道的检测和自动控制电路，因此在设计时，它除了必须保证无线通道的技术指标处于正常范围外，还必须设计先进的取样检测和保护报警等电路，以确保发射机工作正常，从而实现发射机在线自动监测和控制。近年来，随着大功率全固态电视发射机多路功率合成技术的发展，越来越多的厂家采用模块化结构设计，因此单个功率放大器模块是整个发射机的基本测单元，本文就着重讨论单个模块的检测和控制电路，从而实现发射机在线状态自动监测。 一、工作原理 在功放模块中，主要检测和控制参数为电源电压，各放大管的工作电流，输出功率，反射功率，过温度和过激励保护等，图1为实现上述检测控制功能的方框图，它由取样放大电路，V/F变换，隔离电路，F/V变换，A/D转换，AT89C51，显示电路和输出保护电路等组成。 1、隔离电路 在功放模块中，由于大功率器件的应用，往往单个模块的输出功率都比较大，因而对小信号存在较大的高频干扰，如处理不好，就会影响后级模数转换电路工作，从而导致检测数据不准确，显示数据跳动的现象，甚至出现误动作。这里采用光电耦合器进行隔离，由于光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强、无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点，从而将模拟电路和数字电路完全隔离，保障系统在高电压、大功率辐射环境下安全可靠地工作。 2、LM331频率电压转换器
V/F变换和F/V变换采用集成块LM331，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。同时它动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。 图2是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。 当输入端Vi＋输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压－频率变换。其输入电压和输出频率的关系为：fo=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2) 由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。 同样，由LM331也可构成频率－电压转换电路。
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到毫瓦级（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单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P out 与电源供给功率P dc 之比，即 dc out p P =c η （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P out 与输入功率P in 的差于电源供给功率P dc 之比，即 c p dc in out PAE A P P P PAE ηη)11(-=-== （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现行放大器的效率，射频功率放大器通常采用非线性放大器。但是分线性放大器在放大输入信号的放大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。
目录 1、术语、定义和缩略语 2、为什么宽带信号要采用线性功放技术（NCDMA、WCDMA) 3、功放线性功化技术分类（前馈和预失真） 4、预失真技术原理简介 5、前馈技术原理 6、800MHz 30W线性功放实现原理和调试方法 7、工艺结构及信号流向图 8、附录 一、术语、定义和缩略语 1、前馈技术：利用主环路和误差环路来改善功率放大器的非线性失真，即将主环路提取的交调失真信号，在误差环中反相并放大后和主功率放大器输出的信号进行交调失真抵消，从而改善功率放大器非线性失真的一种技术 2、主环：将功率放大器输出的信号(含交调失真信号)与输入的信号（不含交调失真信号）在载频抵消电路中进行载频抵消，其输出只含交调失真信号的一种闭环电路 3、误差环：将功率放大器输出的信号（含交调失真信号）与只含交调失真的信号在交调抵消电路中进行交调失真抵消，其输出只含较小失真信号的一种闭环电路。 4、载频抵消：依靠一个定向耦合电路，将耦合通路上的载频信号（含交调失真信号）与通道上同载频信号在定向耦合电路上进行模拟抵消载频信号的过程 5、交调抵消：依靠一个定向耦合电路，将主环输出的交调失真信号放大后耦合在主功率输出的通道上，在定向耦合电路上模拟抵消交调失真信号的过程 6、预失真技术：是依靠在功率放大器的输入通道中插入预失真部件，造成输入信号的预先岐变失真，由于预失真部件的失真特性与功率放大器的非线性失真特性正好相反，从而消除功率放大器输出信号中的非线性失真产物，实现功率放大器线性化改善目标的信号处理方案。预失真技术根据预失真器件的实现方法可以分为模拟预失真和数字预失真。利用模拟器件的非线性行为直接实现功率放大器输入信号预失真的方法称为模拟预失真，通过数字算法对基带信号进行处理实现预失真的方法称为数字预失真。 C D M A码分多址（C o d e D i v i s i o n M u l i t i p l e A c c e s s） L M D S本地点对多点分布系统（L o c a l M u l i t i p o i n t D i s t r i b u t i o n S y s t e m） W L A N无线局域网（W i r e l e s s L o c a l A r e a N e t w o r k） A C P R邻信道泄漏功率抑制比（A d j a c e n t C h a n n e l L e a k a g e P o w e r R a t i o） D S P数字信号处理器（D a t a S i g n a l P r o c e s s o r） F P G A现场可编程门阵列（F i e l d P r o g r a m G a t e A r r a y） L P A线性功率放大器（L i n e r P o w e r A m p l i f i e r） V S W R电压驻波比（V o l t a g e S t a n d i n g W a v e R a t i o） R F射频（R a d i o F r e q u e n c y） I F中频（I n t e r m e d i a t e F r e q u e n c y）
浅议射频功率放大器的研究 随着现代通信技术的发展，发送设备系统在现代通信系统中地位十分突出，同时对于发送设备系统中射频功率放大器是极为重要的部件，因此加强对射频功率放大器的研究对于提高其综合性能以及融合现代通信技术都十分重要。研究射频功率放大器就要从最基本的概念、类别划分以及主要技术指标开始。文章主要對射频功率放大器的基本概念、射频功率放大器的分类以及射频功率放大器的主要技术指标做了简单阐述，可以对研究射频功率放大器的单位及科研人员提供一些借鉴。 标签：射频放大器；基本概念；类别；技术指标 前言 在发送设备系统中射频功率放大器是极为重要的组成器件，其主要是针对输出功率、功耗、效率、激励电平、失真以及尺寸和重量等相关因素做出综合考虑的一种电子电路。输出功率以及效率是衡量射频功率放大器的主要指标，在此基础上对于输出的谐波分量要尽可能的小，进而避免产生对其他频道的干扰。此外射频功率放大器在发射系统的应用中，其输出功率范围一般较大，可以从mW 到kW之间。因此对射频功率放大器进行研究，并实现射频大功率输出，把握关键环节，实现高效的能量传输，对于发送系统意义十分重大。 1 射频功率放大器的分类 由于射频功率放大器频带相对于较窄工作频率较高，因此其负载回路一般均采用选频网络。对于射频功率放大器的分类可以按照电流导通角进行分类，当其放大器的电流导通角为360°时，将该种射频功率放大器成为甲类工作状态也可成为A类，该类放大器适合于将低功率小信号进行放大；当其放大器的电流导通角为180°时将该种射频功率放大器成为乙类工作状态也可成为B类，该类放大器适合于大功率工作状态；当其放大器的电流导通角小于180°时我们将该种射频功率放大器成为丙类工作状态也可成为C类，该类放大器与乙类相同，均适合于大功率工作状态，只不过丙类工作状态的效率和输出状态相对更大。因此大多数射频功率放大器都工作在丙类状态，但由于丙类工作状态的放大器有一明显的缺点就是能够使得电流波形过大失真，因此为了避免过度失真，一般采用调谐回路将负载谐振功率放大，这是因为调谐回路具备滤波功能，进而使得电流波形接近于正弦状态，进而最大程度减小失真。除此之外为了得到更大的功率放大以及效率，还有丁类工作状态放大器以及戊类工作状态放大器，按照英文也可成为D类和E类。 2 射频功率放大器的主要技术指标 2.1 输出功率
基于ADS的射频功率放大器仿真设计 1.引言 各种无线通信系统的发展，如GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX和Wi-Fi，大大加速了半导体器件和射频功放的研究过程。射频功放在无线通信系统中起着至关重要的作用，它的设计好坏影响着整个系统的性能。因此，无线通信系统需要设计性能优良的放大器。而且，为了适应无线系统的快速发展，产品开发的周期也是一个重要因素。另外，在各种无线系统中由于采用了不同调制类型和多载波信号，射频工程师为减小功放的非线性失真，尤其是设计无线基站应用的高功率放大器时面临着巨大的挑战。采用Agilent ADS 软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能，进一步优化设计参数，同时达到加速产品开发进程的目的。功放（PA）在整个无线通信系统中是非常重要的一环，因为它的输出功率决定了通信距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。 2.功率放大器基础 2.1功率放大器的种类 根据输入与输出信号间的大小比例关系，功放可以分为线性放大器与非线性放大器两种。输入线性放大器的有A、B、AB类；属于非线性放大器的则有C、E 等类型的放大器。 （1）A类：其功率器件再输入信号的全部周期类均导通，但效率非常低，理想状态下效率仅为50%。 （2）B类：导通角仅为180°，效率在理想状态下可达到78%。 （3）AB类：导通角大于180°但远小于360°。效率介于30%~60%之间。 （4）C类：导通角小于180°，其输出波形为周期性脉冲。理论上，效率可达100%。 （5）D、E类：其原理是将功率器件当作开关使用。 设计功放电路前必须先考虑系统规格要求的重点，再来选择电路构架。对于射频功放，有的系统需要高效率的功放，有些需要高功率且线性度佳的功放，有些需要较宽的操作频带等，然而这些系统需求往往是相互抵触的。例如，B、C、E类构架的功率放大器皆可达到比较高的效率，但信号的失真却较为严重；而A
短波线性功率放大器的原理与调试 本文就300瓦线性短波功率放大器的原理和调试作个简单介绍。 1 电路结构： z功率放大器由T1（9：1）输入变压器，T3，T4组成的1：4输出变压器，T5，C6，R11-R14组成的负反馈电路，U1，R3，R4，R15，D1，T2等组成的偏流电路，C2-C5，R7-R10组成的频率补偿电路，Q1，Q2功放管等组成的AB类推挽放大器。 z T1把50欧的输入端阻抗转换成5.5欧以配合晶体管的输入阻抗，由C1补偿T1的寄生电感。 z T5，C6，R11-R14组成负反馈电路，C6与T5的一组线圈（1圈）组成谐振电路，降低高频段的反馈量，并减少负反馈电阻R11-R14对T1次级阻抗的影响。 z C2-C5是频率补偿电容，目的是提高放大器在高端的增益。 z上面所述电路的元件参数对放大器的输入驻波、增益的平坦性等有很大的影响，在调试中要通过多次试验而取得放大器各种参数的平衡。 z U1，R3，R4，R15，D1，T2等组成的偏流电路，由紧贴在功放管上的D1跟踪功放管的温度变化，保持偏流的稳定。 z R16是用来检测放大器的工作电流的。 z输出变压器T4的阻抗比是1：4，在低阻端阻抗为12.5欧，根据推挽放大器的理论可计算出功放的不失真最大输出功率 P max=2(48-2)(48-2)/12.5=338W。（P max=2（Vcc-Vsat）*2/R） z输出变压器采用传输变压器形式，用3mm的25欧电缆绕制。 z C12-C17是隔直耦合电容，隔离直流电位，耦合高频信号。 z功放管是用货源较多的拆机ENI21（类似于MRF448，原用于13.56MHZ的射频源），当然可以用TH430,2SC2652,681033等晶体管来代替，但反馈和频率补偿网络的相关参数要作调整。
射频功率放大器 射频功率放大器(RF PA)是各种无线发射机的重要组成部分。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一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，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。 目录 一、什么是射频功率放大器 二、射频功率放大器技术指标 三、射频功率放大器功能介绍 四、射频功率放大器的工作原理 五、射频放大器的芯片 六、射频功率放大器的技术参数 七、射频放大器的功率参数 八、射频功率放大器组成结构 九、射频功率放大器的种类 正文
一、什么是射频功率放大器 射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。 射频功率放大器是对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题作综合考虑的电子电路。在发射系统中，射频功率放大器输出功率的范围可以小至mW，大至数kW，但是这是指末级功率放大器的输出功率。为了实现大功率输出，末前级就必须要有足够高的激励功率电平。 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。 二、射频功率放大器技术指标 1、工作频率范围 一般来讲，是指放大器的线性工作频率范围。如果频率从DC开始，则认为放大器是直流放大器。 2、增益
工作增益是衡量放大器放大能力的主要指标。增益的定义是放大器输出端口传送到负载的功率与信号源实际传送到放大器输入端口的功率之比。 增益平坦度，是指在一定温度下，整个工作频带范围内放大器增益的变化范围，也是放大器的一个主要指标。 3、输出功率和1dB压缩点(P1dB) 当输入功率超过一定量值后，晶体管的增益开始下降，最终结果是输出功率达到饱和。当放大器的增益偏离常数或比其他小信号增益低1dB时，这个点就是大名鼎鼎的1dB压缩点(P1dB)。一般说放大器的功率容量，就是拿1dB压缩点来表示的了。 4、效率 由于功放是功率元件，需要消耗供电电流。因此功放的效率对于整个系统的效率来讲极为重要。 功率效率是功放的射频输出功率与供给晶体管的直流功率之比。 ηp=射频输出功率/直流输入功率 5、交调失真(IMD) 交调失真是指具有不同频率的两个或者更多的输入信号通过功率放大器而产生的混合分量。这是由于功放的非线性特质造成的。
实验九线性宽带功率放大器 一、实验目的 了解线性宽带功率放大器工作状态的特点 二、实验内容 1.了解线性宽带功率放大器工作状态的特点 2.掌握线性功率放大器的幅频特性 三、实验原理及实验电路说明 1.传输线变压器工作原理 现代通信的发展趋势之一是在宽波段工作范围内能采用自动调谐技术，以便于迅速转换工作频率。为了满足上述要求，可以在发射机的中间各级采用宽带高频功率放大器，它不需要调谐回路，就能在很宽的波段范围内获得线性放大。但为了只输出所需的工作频率，发射机末级（有时还包括末前级）还要采用调谐放大器。当然，所付出的代价是输出功率和功率增益都降低了。因此，一般来说，宽带功率放大器适用于中、小功率级。对于大功率设备来说，可以采用宽带功放作为推动级同样也能节约调谐时间。 最常见的宽带高频功率放大 器是利用宽带变压器做耦合电路 的放大器。宽带变压器有两种形 式：一种是利用普通变压器的原 理，只是采用高频磁芯，可工作 到短波波段；另一种是利用传输 线原理和变压器原理二者结合的 所谓传输线变压器，这是最常用 的一种宽带变压器。 传输线变压器它是将传输线(双绞线、带状线或同轴电缆等)绕在高导磁芯上构成的，以传输线方式与变压器方式同时进行能量传输。图9-1为4：1传输线变压器。图9-2为传输线变压器的等效电路图。
普通变压器上、下限频率 的扩展方法是相互制约的。为 了扩展下限频率，就需要增大 初级线圈电感量，使其在低频 段也能取得较大的输入阻抗， 如采用高磁导率的高频磁芯和 增加初级线圈的匝数，但这样 做将使变压器的漏感和分布电容增大，降低了上限频率；为了扩展上限频率，就需要减小漏感和分布电容，如采用低磁导率的高频磁芯和减少线圈的匝数，但这样做又会使下限频率提高。 把传输线的原理应用于变压器，就可以提高工作频率的上限，并解决 带宽问题。传输线变压器有两种工作方式：一种是按照传输线方式来工作，即在它的两个线圈中通过大小相等、方向相反的电流，磁芯中的磁场正好相互抵消。因此，磁芯没有功率损耗，磁芯对传输线的工作没有什么影响。这种工作方式称为传输线模式。另一种是按照变压器方式工作，此时线圈中有激磁电流，并在磁芯中产生公共磁场，有铁芯功率损耗。这种方式称为变压器模式。传输线变压器通常同时存在着这两种模式，或者说，传输变压器正是利用这两种模式来适应不同的功用的。 当工作在低频段时，由于信号波长远大于传输线长度，分布参数很小， 可以忽略，故变压器方式起主要作用。由于磁芯的磁导率很高，所以虽然传输线段短也能获得足够大 的初级电感量，保证了传输 线变压器的低频特性较好。 当工作在高频段时，传 输线方式起主要作用，由于两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容在整个线长上是均匀分布的，如图9-3所示。也由于两根等长的导线同时绕在一个高μ磁芯上，所以导线上每一线段△l 的电感也是均匀分布在整个线长上的，这是 一种分布参数电路，可以利用分布参数电路理论分析，这里简单说明其工 图9-3传输线变压器高频段等效电路图
基本概念 射频功率放大器(RF PA)是发射系统中的主要部分，其重要性不言而喻。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（缓冲级、中间放大级、末级功率放大级）获得足够的射频功率以后，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。在调制器产生射频信号后，射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。 放大器的功能，即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容，我们称之为“信号”，往往表示为电压或功率。对于放大器这样一个“系统”来说，它的“贡献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平，并向外界“输出”。如果放大器能够有好的性能，那么它就可以贡献更多，这才体现出它自身的“价值”。如果放大器存在着一定的问题，那么在开始工作或者工作了一段时间之后，不但不能再提供任何“贡献”，反而有可能出现一些不期然的“震荡”，这种“震荡”对于外界还是放大器自身，都是灾难性的。 射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，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。通常在射频功率放大器中，可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波，实现不失真放大。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。 分类 根据工作状态的不同，功率放大器分类如下：
传统线性功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。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三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，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。 开关型功率放大器（Switching Mode PA,SMPA)，使电子器件工作于开关状态，常见的有丁（D）类放大器和戊（E）类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。SMPA将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流功耗为零，理想的效率能达到100%。 传统线性功率放大器具有较高的增益和线性度但效率低，而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率，但线性度差。具体见下表： 电路组成 放大器有不同类型，简化之，放大器的电路可以由以下几个部分组成：晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。