射频功率放大器的小信号设计法

毕业论文（设计）论文（设计）题目：2.4GHz射频功率放大器的设计目录中文摘要 (1)Abstract (2)第一章绪论 (3)第二章理论基础 (5)2.1 二端口网络 (5)2.2 技术指标 (6)2.2.1 输出功率 (7)2.2.2 功率增益 (8)2.3 匹配网络 (9)2.3.1共轭匹配 (11)2.3.2负载牵引 (11)2.4 传输线理论简介 (12)2.5 ADS软件简介 (12)第三章电路设计 (14)3.1器件选型和功率分配 (14)3.1.1器件选型 (14)3.1.2 功率和增益分配 (14)3.2 单级放大器设计 (15)3.2.1功率级（Power stage）设计 (15)3.2.2驱动级（Driver stage）设计 (23)3.2.3 两级功率放大器系统设计 (26)第四章总结与展望 (29)谢辞 (30)参考文献 (31)附录翻译 (33)中文摘要近年来，RFID技术的应用在全球掀起一场热潮。

2.4G技术标准由于它的广泛应用，更是成为技术和市场领域的宠儿。

RFID最重要的部分是发射机，而射频功率放大器作为发射机的核心部件，它的性能是制约整个RFID系统性能和技术水平的关键因素。

本文介绍了基于ADS用于RFID系统的2.4GHz射频功率放大器的硬件电路设计方法。

整个系统以MOSFET器件为核心功放晶体管，在2.4GHz、工作电压为3.3V 条件下，采用两级功放级联方式，前端驱动级工作于小信号状态，为后端提供高功率增益，后端功率级工作于大信号，提供高功率输出。

级联之后的效果是实现了27dB功率增益和高达近27dBm功率输出。

该系统主要应用于超高频射频识别读写器系统。

本文深入探讨了整体硬件电路的设计方案，详细阐述了电路设计的原理和方法，最后给出了具体的实现过程。

关键词：GaAs FET；RFID；ADS；2.4G无线系统；射频功率放大器AbstractIn recent years, RFID technology has led to a boom in the world. 2.4G technology standard has become a cosset of the technology and market field, just because of its wide range of applications. Transmitter is the most important part of the RFID system. As the core component of a transmitter, the performance of RFPA becomes to the key factor restricting capability and technical level of the whole RFID systemThis paper introduces a method of 2.4GHz RFPA hardware circuit designing used in RFID system based on ADS. The entire system using MOSFET component as the core power transistor contains two-stage cascade amplifiers working in 3.3V supply voltage, 2.4GHz. The driver-level works in small-signal state, providing high power gain for the back-end; power-level works in large-signal state, providing high output-power for the load. The effect after cascade is to achieve a 27dB power gain and a 27dBm output-power.We discuss the blue print of the overall hardware circuit design in this paper, expatiate the principles and methods of circuit design in detail, and finally give a concrete realization of the process.Key words: GaAs FET; RFID; ADS; 2.4G wireless system; RF Power Amplifier第一章绪论随着人类社会进入信息时代，无线通信技术有了飞速的发展，尤其是射频微波通信技术的产生和发展无疑对无线通信技术的发展起到了决定的作用。

本文主要对射频功率放大器电路设计进行介绍，主要介绍了射频功率放大器电路设计思路部分，以及部分设计线路图一、阻抗匹配设计大多数PA都内部集成了到50欧姆的阻抗匹配设计网络，不过也有一些高功率PA 将输出端匹配放在集成芯片外部，以减小芯片面积。

常用的匹配设计有微带线匹配设计、分立器件匹配设计网络等，在典型设计中有可能会将两者共同使用，以改善因为分立器件数值不连续带来的匹配设计不佳的问题。

PA阻抗匹配设计原理和射频中的阻抗匹配相同，都是共轭匹配设计，主要实现功率的最大传输。

常用工具可以使用Smith圆图来观察阻抗匹配设计变化，同时用ADS软件来完成仿真。

二、谐波抑制由本人微博《射频功率放大器 PA 的基本原理和信号分析》得知，谐波一般是由器件的非线性产生的倍频分量。

谐波抑制对于CE、FCC认证显得尤为重要。

由于谐波的频率较分散，所以一般采用无源滤波器来衰减谐波分量，达到抑制谐波的效果。

不仅PA，其它器件包括调制信号输出端都有可能产生谐波，为了避免PA对谐波进行放大，有必要在PA输入端即添加抑制电路。

上图所示无源滤波器常用于2.4G频段的芯片输出端位置，该滤波器为五阶低通滤波器，截止频率约为3GHz，对2倍频和3倍频的抑制分别达到45.8dB和72.8dB。

使用无源滤波器实现谐波抑制有以下优点：l 简单直接，成本有优势l 良好的性能并且易于仿真l 可以同时实现阻抗匹配设计三、系统设计优化系统设计优化主要从电源设计，匹配网络设计出发，实现PA性能的稳定改善。

3.1 电源设计功率放大器是功耗较大的器件，在快速开关的时候瞬间电流非常大，所以需要在主电源供电路径上加至少10uF的陶瓷电容，同时走线尽量宽，让电容放置走线上，充分利用电容储能效果。

PA供电电源一般有开关噪声和来自其它模块的耦合噪声，可以在PA靠近供电管脚处放置一些高频陶瓷电容。

有必要也可以加扼流电感或磁珠来抑制电源噪声。

从SE2576L的结构框图可以看出，该PA一共由三级放大组成，每一级都单独供电，前面两级作为小信号电压增大以及开关偏置电路，其工作电流较小，最后一级功率放大，其电流很大。

C波段射频功率放大器的设计作者：娄崇义苏莹来源：《科技资讯》 2013年第34期娄崇义苏莹（长春理工大学??吉林长春 ?130022）摘要：射频功率放大器是发射机的重要组件，它的设计成了微波发射系统的关键。

氮化镓功率管的宽带隙、高击穿电场等特点,使其具有带宽宽,高效特性等优点。

本文使用ADS仿真软件对一款功率放大器进行仿真和电路设计，根据晶体管的小信号S参数和I-V曲线，对功率管的输入、输出阻抗匹配电路及其偏置电路进行优化设计，使其性能达到设计要求。

在4GHz～6.5GHz的频段内，对输入功率为0dBm射频信号，输出大于38dBm的射频信号，带内波动≤±1dB。

关键词：增益平坦度；GaN；半导体；小信号方法；功率放大器中图分类号：TN722.1文献标识码：A文章编号1672-3791(2013)12（a)-0000-00新一代半导体功率器件GaN高电子迁移率晶体管。

具有宽禁带、高击穿场强、高功率密度等优点,理论上特别适合应用于高频、高功率的功率器件的场合。

由于具备这些优点,宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能,广泛应用于雷达、通信、战斗机、海洋勘探等重要领域。

本文使用Agilent ADS仿真软件设计出一款2.5G带宽的C波段功率放大器，可用于雷达发射机、无线通信及软件无线电的驱动级或末级功率放大模块，其主要技术指标为：工作频率为4GHz～6.5 GHz的频段内；输入功率为0dBm；输出平均功率38dBm；带内波动≤±1dB。

1射频功放的工作原理本设计的射频功率放大器，根据该放大器的工作频带、输出功率等特点。

在进行功放总体设计时，采用分级设计，再进行级联的设计方法，本功放模块采用两级放大，驱动级采用C波段的功率放大模块EMM5078ZV，在功放级使用GaN功率管TGF2023，功放总体设计如图1所示，功放级电路侧重于保证输出功率的设计，驱动级放大电路则侧重于提升增益的设计，同时保证增益平坦度和输入输出驻波。

射频功放设计步骤（思路）本文将对射频功放电路的设计过程进行简要地介绍，以便初涉射频功放开发的同仁参考。

第一步，制定设计方案在进行射频功放设计时，我们首先要根据给定（或需要）的技术指标和功能指标制定设计方案。

制定设计方案的主要依据是指标要求中的增益、额定输出功率、线性度（ACPR/IMD）、载波数、功耗/效率等指标。

1.在GSM及LTE基站系统中，由于对线性度要求不是很高或者额定输出功率不是很大，且在单载波情况下工作，所以我们选择传统的射频功放设计方案——功率回退法（高功放HPA）。

构成HPA放大器一般有两种工作状态：A类及AB类工作状态。

A类放大器具有良好的线性放大性能，其三阶交调产物与输出功率的变化关系是：输出信号功率减小3dB（即减小一半功率），则三阶交调产物改善6dB。

一般来讲，A类放大器在1dB压缩点输出时，三阶交调系数约为－23.7dB (通常取－20dB)。

为了达到一定的线性，并考虑到工程问题，A类放大器需回退15dB，此时放大器的三阶交调抑制可以达到－45～－50dBc。

然而使用A类放大器的最大缺点是效率低及成本较高。

这是因为A类放大器在它的1dB压缩点输出功率时，其效率只有10％。

比如，完成一个30W平均输出功率的HPA，就需要至少有300W的耗电，并且工作电流随输出功率变化的值不大。

若考虑回退12dB，则需要有480W平均功率输出，需耗电4.8kW。

为了达到30W的输出功率需要用较多的功率管。

这样就加大了HPA的成本和体积，增大了研制成本和难度。

为了避免这个问题，建议在小功率放大器(平均功率输出≤5W)设计中使用A类放大器；在中大功率放大器(平均功率输出>5W)设计中使用AB类放大器。

AB类放大器的特点是效率高、成本低。

由于单管的输出功率高，仅需少量的功率管即可做到较高的输出功率，所以成本较低，且散热和结构设计可以简单化。

目前用在AB类的管子主要选LDMOS管，AB类放大器用最大包络功率PEP来描述其功率容量，类似A类的1dB压缩点。

小信号放大电路
小信号放大电路又称低噪声放大电路，是一种通过放大前端接收到的微弱信号，使其
能满足负载使用要求，而不损失信号质量的一种电路。

由于小信号放大电路能把低噪声信
号放大，因而得名。

它能被广泛应用于无线通信、交流系统、激光测距、高级声学等领域。

小信号放大电路和普通的放大电路相比，具有以下特点：
1、小信号放大电路的放大增益一般较小，多数情况下在20dB以下。

同时，低噪声特
性要求该电路具有良好的抑制肉噪功能。

这也就要求小信号放大电路的线性度在较小的输
入信号范围内能够达到很好的效果。

2、生产小信号放大电路时，除了具有高精度要求的功率放大器以外，同时还要采用
精密的滤波技术，以期满足各种应用的需求。

一般来说，低频不少于300Hz的脉冲波和具
有良好质量的模拟信号，往往需要使用量电容器来极大地提高这种类型电路的运行性能。

3、为了改善小信号放大电路的性能，在设计电路时，应该把电路的电源电容和过采
样电容采用连续的方式，以在一的滤波器的状态下进行调节，从而提高放大器的噪声衰减
能力。

另外，在此基础上，应该添加偏调波滤波器，以调节整个负责放大电路的分支，来
降低噪声水平。

4、小信号放大电路通常采用一种被称为音频功放的放大结构，它能把收到的微弱信
号转换为较大的信号，并同时抑制多发噪是声音，以达到较好的信号放大效果。

另外，小信号放大电路还有一些应用是特殊的，比如激光测距仪、超声波及单片机技术，等。

这些电路的设计中，除了具有一定的放大系数，同时还要考虑它的速度快、噪声
小等特点，以期达到提高性能能力的目标。

RF功率放大器的设计与优化RF功率放大器是无线通信系统中不可或缺的重要组成部分，主要用于对信号进行放大，以满足通信系统对于高功率、低失真、高效率等多种要求。

而其设计与优化则直接关系着整个通信系统的性能和效率。

本文将从介绍功率放大器工作原理、设备特点和设计原则入手，结合实际案例，探讨RF功率放大器设计与优化的过程和技巧，以期为读者提供一定的参考和帮助。

一、功率放大器工作原理及特点功率放大器是一种将信号输入端的小信号放大成输出端的大信号的电子设备，其工作原理为将幅度较小的输入信号进行放大实现增强信号功率。

一般情况下，功率放大器被广泛应用于各种无线通信系统中，如手机、基站、卫星通信等。

功率放大器具有以下几个特点：（1）高输出功率：功率放大器的主要功能是对输入信号进行放大，从而达到提高功率的效果。

因此，功率放大器的输出功率必须要高，这也是它被广泛应用于无线通信系统中的原因之一。

（2）低失真：在功率放大器中，由于信号的放大不可避免地会伴随着失真，因此要求功率放大器的失真尽可能小。

否则，失真信号将会影响整个通信系统的运行质量。

（3）高效率：功率放大器是消耗电能的电子设备，因此高效率的功率放大器不仅可以使整个通信系统的工作更长寿，而且还可以节省用户的能源消耗。

二、功放设计原则在进行功放设计时，需要遵守以下的设计原则：（1）功率放大器的稳定性：功放的稳定性是功放设计的首要原则，任何放大器都不应该存在不稳定的现象，从而保证提供良好的信号放大性能。

（2）低失真：功率放大器的失真对于信号质量来讲有很大的影响，因此尽量减少失真是功放设计的目标之一。

（3）高效率：功率放大器在输入功率不变的情况下，输出功率越大则耗能也就越大，因此设计功放的时候需要在功率输出和能源消耗之间做一个平衡，以提高功放的效率。

三、功放设计流程在进行功放设计时，需要按照一定流程进行操作：（1）确定功率放大器的频带：功放工作的频带范围决定了器件的性能特征，因此功放设计开始之前需要明确出功放的频带范围。

射频功放的设计基于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类放⼤器是所有放⼤器中线性度最⾼的，但它的最⼤缺点是效率低，这些缺点虽然可以⽤各种Harmonic Termination 电路的设计技巧予以改进，但仍⽆法提⾼到与⾼效率的功放相当的⽔平。