高功率放大器(HPA)基础知识

高功率放大器(HPA)基础知识

1、用途及特点

在无线通信系统，高功放（HPA）是发信电路重要组成部份。通常，它由多级放大器构成，其输出端是发射链路最高电平点，它经双工器与发射天线连接。

HPA在发信电路部位如图1所示。

高功放主要作用，是在发射频率上，将低电平信号放大到远距离传输所要求的高功率电平。因频段、传输距离、天线增益、信号调制方式等因素，不同发射机HPA输出功率差异甚大。在常用微波频段（800MHz~28GHz）可从几十瓦到几十毫瓦不等。

高功放电路特点：

（1）在大容量（或多载波）数字通信系统，设计HPA电路尤其是末级电路，常发生大功率输出与线性要求之间矛盾。经常采用三种解决办法

* 采用平衡放大电路，其合成输出功率较单管增加一倍且保持单管线性。在常用微波频段经常用下图所示正交混合电路（或3dB桥）实现功率合成。

* 采用预失真补偿电路，设计一个预失真网络使它产生的三阶互调与HPA三阶互调在输出合路器中相互抵消。构成方式如下图所示，

予失真补偿电路设计复杂、带宽窄，使用不普遍。

*在HPA前级设置自动电平控制（ALC）电路，通过末级输出耦合检波直流，控制PIN衰耗，保持输出功率恒定。防止因前级输入电平过高因饱和失真。该方法只能予防失真而不能改善失真，

（注：ALC与大容量长距离数字微波采用的ATPC不同，前者是以保持发射机输出功率恒定，防止失真为目的，采用的是开环控制方式。而自动发射功率控制（ATPC）是发射机功率受控于对端接收电平，当电波传播发生深度平衰落时，提高发射功率，最大可达到额定功率。在正常传输时间里使发射功率小于额定功率10dB。采用的是闭环控制方式。是以减轻干扰、抗平衰落为目的。）

（2）HPA采用的大功率器件都呈现极低的输入、输出阻抗，其阻抗实部绝对值很小，都在1~3欧姆左右，而容抗和引线电感很大。对这样的大功率器件进行输入、输出和级间匹配非常困难。因单片微波集成电路（MMIC）技术的发展，许多厂家已制造出输入输出内匹配的大功率器件，大大地缓解设计难度。

（3）HPA输出级必须要考虑空载保护。若与输出负载间发生严重失配（如，连接天线馈线开路或短路）末级与输出负载电路之间将产生大驻波电压，驻波峰值电压一旦落在器件漏极，它与供电电压迭加将使器件击穿。

在微波频段常采取二种保护方法，在4GHz以上频段借助于输出隔离器中的反向吸收负载R吸收反射波，它如下图所示，

在低频段常用定向耦合器（Diectional coupler）检测反射波，超出定值时自动切断功放电源并发出告警。工作示意图如下

设计工程师可根据工作频率、电路结构选取分布参数或集中参数定向耦合器。

（注：定向耦合器是互易器件，当信号从原规定的“IN”口输入改为“OUT”口输入时，其耦合口“COUP”和隔离口“ISO”也将互换。定向耦合器常用二个参数表征如下：

耦合量 CdB = 10log(Pco/Pin)

方向性 DdB = 10log(Pco/Pis)

其中 Pin , Pco , Pio 分别为入口输入功率、耦合口及隔离口输出功率。）

（4）目前在HPA电路常用高频大功率砷化镓场效应晶体管（GaAsFET）或者用其管芯制作的MMIC“放大块”，开关机时，如栅偏压稍迟后于漏压或无栅压时即会损坏。因而偏置电路要有保护措施，下图为保护措施之一。

根据所用器件，高功放大致可分成三种类型：

* 硅双极晶体管（Si Bipolar Transistor）功率放大器。在大功率放大时，单管增益及效率低，带宽窄，线性及反向隔离差，它通常用于3GHz以下频段，其优点是便宜和不需负偏压。但目前已逐渐被场效应晶体管功放所代替。

* 砷化镓场效应晶体管（GaAs Field-Effect Transistor）功率放大器。它包括由砷化镓场效应晶体管管芯制成的内匹配单片微波集成电路（MMIC）。这类器件工作频率及效率高，线性及反向隔离性能都优于硅双极晶体管，目前商用化器件最高工作频率可达40GHz,实验室可达80GHz。尤其内匹配MMIC集成功放块带宽宽、稳定得到普遍应用。需要负偏置及偏置保护电路是缺点。*砷化镓异结质双极晶体管（GaAs Heterojunction Bipolar Transistor）功率放大器。这种器件特别适宜功放应用，它有砷化镓场效应晶体管一样好的性能（特别在线性和高耐压性能上更好些），同时它又克服了需要负偏置及偏置保护电路的缺点。它发展历史较短（走出实验室仅十年）在大功率应用可靠性上人们还不放心。

2、电路构成及工作原理

高功放只是发信设备的一个组成部分，它的构成和功能完全取决于整个设备性能的要求。不同用途的发信设备其具体电路构成和实现的功能会有差别。例如下面给出的7GHz微波发射机功放电路其输入为恒定电平，该电路不带ALC功能。

功能框图及主要电路组成如图2所示。

图2 给出7GHz 发射机功放框图和主要电路。

该电路由五级放大组成，前四级为单管串联放大，末级为平衡功率放大。按各级功能和所处位置也可称作低噪声放大级、驱动级、末前级、末级。整个放大器采用二种封装工艺砷化镓场效应器件，前三级放大用分立元件场效应晶体管，后二级用单片微波集成电路MMIC，并采用带保护电路的双极性偏置电压（具体电路省略）。该电路总增益40dB,线性输出2瓦（33dBm）。

各部分作用：

低噪声放大级- 众所周知，变频式发射机输出噪声主要成分是调相噪声，其主要来源是发射振荡器产生的相位噪声。所以在发射机指标中都要规定振荡器相噪，而对这类发射机中的HPA 热噪声要求不高，通常HPA噪声系数在6~ 8dB时都可满足要求。在直放式发射机中，尽管输出噪声主要成分是热噪声，因直放机收信输入端都有精心设计的高增益低噪声放大器（LNA），它有足够高的增益和极小噪声系数，从而减轻了对HPA低噪声要求。

相对于接收机低噪声放大级而言，在HPA中提出低噪声放大概念似乎不恰当，但它毕竟是多级级联放大器输入级，是HPA本身热噪声的主要来源，相对HPA其他级而言，对HPA前级要提出低噪声高增益要求。

驱动级- 采用平衡式末级输出方案时，末前级输出功率与末级单管输出功率几乎相近，它为末前级提供足够地输入激励功率。驱动级通常采用中功率输出器件。

末前级- 末前级功放主要作用是补偿末级输入正交耦合器分路损耗（3dB），并为二只并联末级功放管提供输入功率。

末级- 如图2所示，它采用二只相同特性的MMIC功率放大块和二只相同特性的正交耦合器组成平衡功率放大器。为取得良好性能，上、下二支路应当在工作频段保持幅度、相位特性相同。这样结构的输出功放有三个特点，