（电子科学与技术专业论文）宽禁带固态功率放大器的研究.pdf

一 些墨! 坠g ：一 a b s t r a c t i l lr e c 铋ty e 粥，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u u i c a t i o n sa n d 皿c r o e l e m m c t e c h n 0 i o 西e s ，m o d 锄m i l i t a r yr a d a rs y s t e m i sd e v e l o p i n gt o w a r d sm 皿栅z a n 呱 l l i 咖p o w h i g he f f i c i e n c y , w i d e b a n d w i d t ha n ds u i t a b l e f o rw o r k i n gmh a r s h 锄怖衄伽旧灿t h ec o r eo f t h es y s t e m ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f r fp o w e ra m p l l 伍盯h a s p l a ：y c dak e yr o l ei i l 也ep 矾) 吼锄c e a n dt e c h n o l o g yl e v e lo f t h ew h o l es y s t 锄a m d 也e p o w e fa m p l i 断i sa l s ot h em a i ne n e r g y - c o n s u m i n gm o d u l e s i nt h es y s t 锄。i 。腑e t 吡 也er e s e 疵ho fi m - p r o 啊n gt h ee f f i c i e n c yo fp o w e ra m p l i f i e ri s e s s e n t i a lt ot h ew h o l e s y s t e m t h e 缸d g 吼e r a t i o ns e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sh a v ew i d eb a n dg a ps u c h 嬲g a n ， s i c 咖t h e s em a t e r i a l sh a v ea b e t t e rp e r f o r m a n c eo nb r e a k d o w ne l e c t r i cf i e l d ，l l i 曲 h e a tc o n d u c t i o nt a t e ，h i g hp o w e rd e n s i t yc a p a b i l i t y , h i g he l e c t r o n m o b i l i t ya n dt h eb e t t 髓 a b i b t yo f 删r a d i a t i o n t h e ya r ev e r ys u i t a b l ef o rh i g h - f r e q u e n c y , l l i 咖e 伍a 髓c y a n d h i g hp o w e re l e c t r o n i c d e v i c e s s ot h ei n v e s t i g a t i o no nw i d e - b a n dp o w e ra m p l l n e r s b e c o m e sar e s e a r c hh o t s p o t i i lt h i s 让螂i s ，ac l a s sep o w e ra m p l i f i e ra n dac l a s sfp o w e ra m p l i f i e l h a v e b e e i l d e s i g n e du s i n gw b g d e v i c e s t h ep e a kc u r r e n ta n dp e a kv o l t a g eo fc l a s se a n dc l a s sf p o w e r 锄p l i 断d on o to c c b i = a tt h e $ a n l et i m e ，s ot h ed e v i c e i ss i m i l a rt oa f s w i t c h ” w i 也m ed l 撒c t 耐s t i c so ft h el o w e s tp o w e rc o n s u m p t i o na n dt h e o r e t i c a le f f i c i c y o t lo 晰t h eb 弱i c 砷【l c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do f c l a s sea n dc l a s sfp o w e ra m p l i 士i e r s w e r ed e s c 加e di nd e t a i li nt h i st h e s i s t h eh i g he f f i c i e n c yo f t h ep o w e ra m p l i f i 粥h a 8 b e e i la 出e v e dw i t ht h em a t c h i n gc i r c u i t sf o r m e db y m i c r os t r i pb r a n c hl i n e s t h ep o w 日 觚p l i f i e r sw e r es i m u l a t e da n do p t i m i z e db yu s i n gl o a d p u nt e c h n o l o g y 锄d h a m o m c b a l a n c et e 幽l o g yi 1 1a d s 2 0 0 8 a tl a s t , t h ed e b u ga n d t e s to ft h ep o w e ra m p l i f i e r 腑 b e e nd o n ea n dt h et e s tr e s u l t sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s - t h et e s tr 懿m t sa r es h o w ni nt h ef o l l o w i n g 。t h ec l a s se p o w e ra m p l i f i e rw o r k s i n 也e1 8 g h z 2 0 g h zf r e q u e n c yb a n d w h e n t h ei n p u tp o w e re q u a l st o3 0 d b m ，t h eg a l n i sm o r e 也a n10 d ba n dp o w e r - a d d e de f f i c i e n c y ( p a e ) r e a c h e sm o r et h a n5 0 ，c v 6 0 i n1 9 5 g h z t h ec l a s sfp o w e ra m p l i f i e rw o r k si n t h e2 2 g h z 2 4 g h z l t a b s t r a ( 了r f r e q u e n c yb a n d w h e i lt h ei n p u tp o w e re q u a l st o2 8 d b m ，t h eo u t p u tp o w e rr e a c h e s 41d b ma n dt h ep a ei sm o r et h a n5 0 t h et e s tr e s u l t so ft w op o w e ra m p l i f i e r sm e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dh a v et h ev a l u ei ne n g i n e e r i n g p r o j e c t k e y w o r d s ：h i 曲e f f i c i e n c y , c l a s sep o w e ra m p l i f i e r , c l a s s fp o w e r a m p l i f i e r , w i d e - b a n d g a p ，a d s2 0 0 8 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：盔垫 日期：如c ) 年厂月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：桎磁乌导师签名：褥旁五 日期文。尸年f 月7 日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 微波功率放大器在雷达、通信、导航、卫星、电子对抗设备等系统中有着广 泛的应用。随着科技的发展，对系统的要求也日益增加。主要表现在对系统的接 收灵敏度要求越来越高，通信距离越来越长，体积越来越小，工作带宽越来越宽， 应用环境变得也越来越复杂。因此，相应对微波固态功率放大器也提出了越来越 高的要求。 现代军用雷达系统，要求雷达具有极高扫描速率、更远距离、多目标跟踪处 理能力、低截获概率、电台抗干扰功能，同时出于小型化及成本考虑，要求减少 直流功耗，改善系统可靠性。功率放大器作为雷达系统中的重要模块也是主要耗 能模块，因此对功率放大器提出了更高的要求【1 1 。宽禁带、高效率的微波器件能满 足这个新的需要，宽禁带器件可提供很高的峰值电流输出电容比值，以及很高的 击穿电压和功率密度，这独有的特性组合使它比其它器件能实现性能更优的功率 放大器。在雷达系统中采用宽禁带功率器件可以显著提高雷达发射机的输出功率 和功率密度，提高发射机的总效率和雷达的抗辐射能力，增加雷达的工作频率和 带宽 2 1 。 宽禁带( w b g ) 半导体材料是第三代半导体材料，有着广泛的应用前景。宽 禁带半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高电子饱和漂移速率、高热导率、化 学性能稳定及抗辐射等优点，非常适合制作高频、高温、高功率、抗辐射的功率 器件，w b g 半导体器件主要应用范围有发光器件、高频大功率器件、高功率电力 电子器件等【3 1 。采用宽禁带半导体制成的微波功率放大器可以改善雷达、电子对抗 及通信系统等电子系统的性能。 综上所述，由于宽禁带功率器件所具有的优越性能，必将成为功率器件的主 流，并在雷达、通信等系统中得到广泛的应用。 1 2 微波固态放大器及半导体材料的发展现状 半导体器件的工艺和生产技术推动着微波固态放大器的发展。在半导体技术 电子科技大学硕士学位论文 的发展历程中，第一代半导体材料硅和锗制成的半导体功率器件主要应用在s 波段以下，脉冲输出功率可达百瓦量级。v 族化合物半导体材料，如g a a s 、i n p 、 g a p 、a l a s 及其合金被称作第二代半导体材料，在工作频率上第二代半导体功率 器件较第一代半导体器件有了很大的提高，可达到3 0 g h z 一1 0 0 g h z ，输出功率在 c 波段可以达到8 0 w ，在x 波段可以达到3 0 w 。在过去的半个世纪中第一、第二 代半导体发挥了不可估量的作用，正因为有了第一和第二代半导体材料及其相关 技术，才使我们有了计算机时代和移动通讯时代【4 】。由此可见传统半导体技术对社 会发展的重要性。随着社会发展的需要，传统半导体器件已不能完全满足上述需 求，尤其在一些恶劣环境中，如高温、高频、高辐射等领域，传统半导体技术已 显现出诸多局限性。为了能在这些恶劣环境中使器件能够稳定的工作亟待新一代 高温半导体技术【5 枷。 s i c 、g a n 、金刚石、a i n 等宽禁带( 宽带隙) 半导体又称为第三代半导体材 料，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高和极佳的抗辐射能力等优点， 非常适合制作高温、高频和大功率电子器件f 丌。用这些第三代半导体材料制成的功 率器件具有非常低的通态电阻和快速开关特性，而且可以工作在比较高的电场环 境下。基于第三代半导体材料的功率管制造的功率放大器具有功率大、功耗低和 频率高等特点，适合在武器装备系统和航空航天、导弹、火箭电器设备等系统中 应用，特别是在恶劣环境下工作的特性是传统功率放大器无法比拟的【8 】。 目前，由于第三代半导体材料所具有的优良特性，美国、俄罗斯、日本等国 都极其重视宽禁带半导体技术的研究与开发。从现在宽禁带半导体材料和器件的 研究情况来看，研究重点多集中于s i c 和g a n 技术，其中s i c 技术最为成熟，研 究进展也较快；g a n 技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入【9 1 l 】。 多家半导体厂商已演示了高性能的宽禁带半导体器件。这些器件性能优异而且工 作频率范围比较宽，从不足1 g h z 到4 0 g h z 。目前很多公司已经开始提供s i c 及 g a b 器件的商业产品。在效率方面，美国公司c r e e 制作的e 类功率放大器的漏极 效率已经达到8 8 ；在带宽方面，通过使用w i l k i n s o n 功分器将两个 a 1 g a n g a n h e m t 器件做成行波放大器，带宽己达到5 g h z t 叼；在功率方面，i 珂 m i c r od e v i c e 公司展示了4 0 0 w 的g a nh p a 的高功率放大器样本。目前c r e e 公司 已与多家公司合作将其宽禁带器件应用到产品中，e r i c s s o n 是提供移动通信及军 用雷达、通信系统设备的大公司，e r i c s s o n 公司在其产品中应用g a nh e m t 器 件，使其产品的工作效率有了很大的提高，同时减小了体积及提高了产品可靠性； m i l m e g a 公司是专门提供2 0 0 m h z 到1 4 g h z 的大功率放大器的企业， 2 第一章绪论 m i l m e g a 把c r e e 公司的s i cm e s f e t 应用在其u h f 频段的功率放大器中，提 高了产品的功率密度，减小了体积同时提高了产品的可靠性；a e t h e r e o m m 公司主 要提供高线性、高效率微波功放，它的功放产品采用c r e e 公司的g a nh e m t 器 件，提高了产品的线性度和效率；a r r a y w i r e l e s s ，i n e 公司专门为无线通信、监控及 国防应用提供高线性、高效率微波功放，它的产品在采用c r e e 公司的g a nh e m t 器件后，体积减少了2 5 ，而效率达到了同类产品的两倍以上。与此同时，国内 的各大研究所和高校虽说在s i c 及g a n 材料生长和器件制造工艺方面也取得了突 破性的进展，但由于材料来源困难等原因进展并不是很快，在重要领域的应用上 也没有形成产业化【4 】。 综上所述，采用宽禁带器件设计的功放产品在效率、带宽、输出功率等方面 与同类没有采用宽禁带器件的产品相比均得到了较大的改善。 1 3 研究意义及内容安排 目前，在现代军用雷达系统中，出于小型化、成本及可靠性的考虑，要求尽 量减少雷达系统的直流功耗以提高系统的效率。而功率放大器作为雷达系统中最 主要的耗能模块，它的效率将直接影响系统的效率。因此，如何提高功率放大器 的效率成为雷达系统中功率放大器的一个主要研究课题。从前面一章节中我们可 以知道采用宽禁带器件制成的功放其效率可以大大提高，本课题基于这一点而提 出来，希望通过采用宽禁带器件来提高功率放大器的效率。 本课题来源于中国电子科技集团第3 8 研究所的预研项目。论文分析了功率放 大器的理论基础，并给出了利用w b g 器件设计固态功率放大器的方法及设计流 程；在此理论指导下，利用a d s 设计了e 类、f 类功率放大器的偏置电路、改进 的匹配电路、直流供电电路等；最后组装了这两类功率放大器，并对成品进行了 调试及测试，测试结果满足设计指标。 论文结构如下： 第一章，绪论主要阐述了微波功率放大器件及半导体材料的发展现状，宽禁 带器件的研究背景及意义。 第二章，分析功率放大器设计的理论基础。 第三章，详细介绍e 类功率放大器的设计过程，包括仿真、p c b 制板及调试 与测试。其设计指标为： 1 工作频率1 8 g h z 2 0 g h z 电子科技大学硕士学位论文 2 输出功率大于3 9 d b m 3 功率附加效率大于4 5 4 增益大于1 0 d b 5 增益平坦度小于l d b 第四章，阐述f 类功率放大器的设计方法，采用微带线谐振网络作为输入、 输出匹配电路。最后对成品进行了调试及测试。其设计指标为： 1 工作频率2 2 g h z , - , 2 4 g h z 2 输出功率大于4 0 d b m 3 功率附加效率大于4 5 4 增益大于1 1 d b 5 增益泡平坦度小于l d b 第五章，对全文进行了总结和展望。 4 第二章微波固态功率放大器的理论基础 第二章微波固态功率放大器的理论基础 现代无线通信和雷达等系统都要求高性能的微波功率放大器。本章主要介绍 微波功率放大器电路设计时主要考虑的技术指标，如输出功率、效率、增益、稳 定性、线性等 1 3 - 1 6 1 。 2 1 微波功率放大器的主要技术指标 1 ) 功率增益 增益表示从放大器的输入端口到输出端口功率的增加量，在射频电路设计中 有多种增益定义。例如：实际功率增益g p ( 又称为工作功率增益或简称功率增益) 、 资用功率增益g o ( 又称为可用功率增益或有用功率增益) 、转换功率增益g r ，此 外还有最大稳定功率增益、最大功率增益等，每一种增益都有它自己的定义和不 同的物理意义。如图2 1 所示【1 4 1 。 由图2 - 1 可写出如下关系式【1 4 1 ： b l = r l 口l 网络的输入功率为【1 4 】： 图2 1 r 2 ( 2 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 料卜剐2 = 嘲2 = 器k 1 2 2 ， 网络的输出功率为【1 4 】： 昱=i屯12一16112=6一ill2)如12=瓦二器i口，12(2-3) 各功率增益的表达式可以通过输入功率和输出功率的表达式求出。 ( 1 ) 转换功率增益 转换功率增益g r 描述了信号源与负载之间的关系，它的定义为1 4 】： q = 嚣淼 c 2 4 ， “r 。百蓟薪渍藤 叱刮 通过一系列变换可以得到【1 4 】： q ：啦坐删：上掣剑唑 协5 ， 。 i l lr i l 2 i i - s ：2 l 1 2l c l - 最。l ) ( 1 一s 2 2 i r l ) - s 2 l 墨2 t k l 2 式( 2 5 ) 表明，转换功率增益研不仅与s 参数有关，还与信号源反射系数和 负载反射系数有关。当我们研究信号源和负载对功率增益的影响时，采用转换功 率增益会方便一些。此外，我们还经常用到单向化功率增益g ，它是转换功率增 益的近似表达式，单向化功率增益没有考虑放大器反馈的影响( s l ：= 0 ) 。引入单 向化功率增益的概念后式( 2 5 ) 简化为【1 4 1 ： = 锷措掣 6 ， 一般采用公式( 2 6 ) 作为放大器及其输入、输出匹配网络近似设计的基础。 ( 2 ) 实际功率增益 实际功率增益定义为负载吸收功率与放大器输入功率的比值【1 4 】： 。 负载吸收的功率 “= 瓦恧丽瓣2 ( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 可以看出功率管的实际功率增益g 不仅与功率管的四个s 参数有 关，同时还与负载反射系数( 或负载阻抗) 有关。因此，当研究负载对放大器功 率增益的影响时可以采用实际功率增益g 。 6 第二章微波功率放大器的理论基础 2 ) 输出功率 功率是考察功率放大器性能的一个重要指标，一般在系统的发射模块中，末 级功率放大器输出功率由于不同的系统要求，其输出功率变化较大，小至毫瓦级 ( 便携式移动通信设备) 、大至数千瓦级。为了更有效的表示功率电平的大小，采 用招来作为功率的单位。它的定义是信号功率与参考功率的比值的对数，即【1 5 】 d b = 2 0 1 9 ( u 2 u , ) = 1 0 1 9 ( p 2 - 3 , ) ( 2 8 ) 上式中，互、最、矾、u ：是进行比较的功率和电压。 扭表示两个功率的比值。在实际中，功率的绝对单位采用d b m 和扭形来表 示。d b m 是以l m w 作为参考功率，例如o d b m 表示l m w 的功率。d b w 是以1 w 作为参考功率，如o d b w 表示1 w 的功率。对于任意值的功率，可以使用下面的 公式计算【1 5 】： d b m = l o l g ( p , 矽) d b m = 1 0 1 9 ( p w ) ( 2 9 ) 功率单位的改变规律是功率值改变1 0 0 0 倍时，相应地有一个新的单位。例如： p w n w pw m w w k w m w ，每当功率改变一个单位时，相邻的功率变 化是3 0 d b 。 ( 1 ) 饱和输出功率 随着功率放大器输入功率的增加，输出功率与输入功率不再保持线性关系， 大小也不再改变，此时输出功率称为功率放大器的饱和输出功率。当然，这种说 法并不是绝对的，例如在实际的功率放大器中，在某一个频率点处增加输入功率， 输出功率会减小，而在其他工作频点处，输出功率有可能会慢慢的增加。基于这 点，通常用相对于某个输出功率处的深度表示，相应的输出功率称为饱和输出功 率，典型值是l d b 压缩点【1 5 】。 ( 2 ) l d b 压缩点输出功率毋曲 当输入功率较小时，输出功率与输入功率是线性关系，此时的增益称为小信 号线性增益g 。当输入功率增大到一定值后功率放大器将出现饱和，如图2 2 所 示。当输出功率比理想线性放大输出功率增益跌落l d b 时的功率称为l d b 压缩点功 率，常用墨凹表示。l d b 压缩点处对应增益记为g 。髓，且有g 。招= g o l d b 。通常 功率放大器和微波功率管都用墨拈表示其功率能力，单位为d b m ，它与相应的输入 功率己( 1 d b ) 的关系为【1 5 】： 暑凹= 艺0 d b ) + g o l ( 2 1 0 ) 7 电子科技大学硕士学位论文 届拈越大，说明功率放大器的动态范围大，线性度好，非线性失真小。 图2 - 2 放大器输出功率与输入功率的关系 放大器工作的动态范围用以表示，用日抬和最( 1 d b ) 之差表示功率放大器 的线性放大区，如果输入功率超过动态范围的上限，放大器就开始饱和。其中只删硒 为对应于最小输入信号( 兄卅出) 的输出功率。 3 ) 效率 效率是衡量功率放大器把直流能量转换成微波信号能量的能力指标。高效率 意味着功率放大器的损耗低。功率放大器的效率的定义通常采用集电极效率町。和 功率附加效率p a e ( p o w e r a d d e de f f i c i e i l c y ) 两种方法。 ( 1 ) 集电极效率 所谓集电极效率，就是指功率管集电极( 或漏极) 输出的有用功率和电源 供给的直流功率兄的比值，用仉表示，即【1 4 】 仉= 乞盯& 1 0 0 = 己。( 己。+ e ) 1 0 0 ( 2 - 1 1 ) 式中，为管耗。从式中我们可以知道在相同的输出功率情况下，直流电源 供给的功率越小，效率仉越高即管子消耗的功率越小。 ( 2 ) 功率附加效率 功率附加效率定义为输出功率与输入功率己的差与电源供给的功率最的 比，即【1 4 1 p a e = ( 一圪) 只= ( 1 1 g ) 只d 岛 ( 2 - 1 2 ) 功率附加效率可以用来表示直流电源功率转换为射频输出功率的能力。同时， 效率和线性度之间是一对矛盾，一般高效率意味着低线性度。 8 第二章微波功率放大器的理论基础 4 ) 稳定性 ( 1 ) 稳定性条件 功率放大器能够正常工作的条件之一就是在给定的频率范围内稳定。稳定性 是功率放大器设计中必须考虑的重要条件之一，在某些情况下功率放大器会产生 振荡，轻微的振荡能使放大器的工作不稳定产生虚假信号，严重的甚至会损坏功 率管。这种振荡现象可以通过考察传输线中电压波的传输来理解，在本文就不对 此详细介绍了。如果功率放大器在工作频带内工作不稳定，输出功率会减少，严 重的甚至无功率输出；功率放大器的不稳定性会使输出信号产生失真。因此，在 设计功放时必须把功率放大器的稳定性作为首要考虑的条件。功率放大器的稳定 性可采用s 参数来判定。 对有源的二端口网络，稳定性可以分为绝对稳定( 无条件稳定) 和有条件稳 定( 潜在不稳定) 。所谓绝对稳定指无论信号源阻抗乙和负载阻抗z 为何值，放 大器都能在给定的频带内稳定的工作。绝对稳定条件可以用稳定性因子k 描述【1 4 1 ： k ：型垡土牲 1 ( 2 - 1 3 ) 2 i s l 2 s 2 l | i 1 - i s , 2 s 2 l i ( 2 - 1 4 ) l s 2 2 1 2 1 一i s l 2 s 2 1 i ( 2 - 1 5 ) 式中a = s 。s 龙- s 。：s ：。，如果放大器是绝对稳定则上面三个条件必须全部满 足。如果三个条件不能同时满足，此种情况称为潜在不稳定状态，但此时不一定 出现自激振荡，只有当源阻抗和负载阻抗处于某个范围时才会出现自激振荡。如 果功率放大器处在潜在不稳定时，在设计电路时，就要通过选择适当的源阻抗z s 和 负载阻抗z ：来改善稳定性，以使功率放大器处在稳定区，此时输入、输出匹配电 路会出现一定程度的适配。功率管的s 参量与它的偏置条件、工作频率等因素有 关，如果偏置条件、工作频率等因素改变时，必须对功率管的稳定性进行重新分 析。 ( 2 ) 稳定性改善措施 在实际应用中可根据器件的s 参数，按照以上三个条件来判别功率管是否在 所需工作频段内稳定。如果功率管工作频率范围内潜在不稳定，在设计电路时， 要通过选取适当的源阻抗和负载阻抗使功率放大器处在稳定状态，此时功率放大 器可能不是在最佳匹配状态，这就需在两者之间折中考虑。由于功率管输入和输 9 电子科技大学硕士学位论文 出端口之间并不是完全的隔离存在耦合效应，一般在这种情况下，只需要一个端 口满足稳定性条件。如图2 3 所示，可采用有耗匹配来改善稳定性，即在功率管的 输入或输出端口串联或并联一定阻值的电阻，然而，有耗匹配会在一定程度上影 响放大器的增益，因此应当合理应用。在实际应用中，一般不采用在输入端接电 阻的端方式，因为这将使放大器的噪声恶化；而在输出端串接电阻的方式( 图2 3 ( c ) ) 也不常使用，因为将影响放大器的增益；在一些潜在不稳定的宽带放大器 中，输出端并联一个电阻( 图2 3 ( d ) ) ，可达到增益和稳定性的兼顾。 ( a ) ( b )( c )( d ) 图2 3 改善稳定性的四种电阻端置 2 2 微波功率放大器的分类 微波功率放大器有多种分类方法【l5 1 ，按工作频带分类，可以分为宽带功率放 大器和窄带功率放大器。窄带功率放大器的频带较窄，一般都采用选频网络作为 负载回路，例如l c 谐振回路。宽带功率放大器不采用选频网络作为负载回路，为 使其能在比较宽的频率范围内工作，一般采用传输线作为负载。 根据匹配网络的性质，功率放大器可以分为非谐振功率放大器和谐振功率放 大器。非谐振功率放大器的匹配网络一般是高频变压器、传输线变压器等非谐振 系统，它的负载呈现纯电阻性质。而谐振功率法的匹配网络是谐振系统，它的负 载呈现电抗性质。 根据功率放大器的工作状态，可以分为线性功率放大器和非线性功率放大器。 线性放大器的效率比较低，最高也只能达到5 0 ，而非线性放大器则具有较高的 效率。 按照电流导通角秒的不同，功率放大器又可以分为a 类、a b 类、b 类、c 类。 a 类放大器电流导通角口= 1 8 0 0 ，适用于小信号低功率放大；b 类功率放大器电流 导通角口= 9 0 0 ；a b 类介于a 类与b 类之间，9 0 0 0 1 8 0 0 ；c 类功率放大器电 流的导通角口 9 0 0 。b 类和c 类功率放大器都适用在大功率工作状态下。c 类功 率工作状态的输出功率和效率是这几种工作状态中最高的。还有使功率器件工作 l o 第二章微波功率放大器的理论基础 在开关状态下如d 类功率放大器和e 类功率放大器，理论上这种功率放大器的效 率可达1 0 0 ，但由于它在较高的工作频率下工作，受到开关转换瞬间所产生的器 件功耗的限制，效率会有所下降。此时如果对电路加以改进，尽量减小功率管在 转换瞬间的功耗，功率放大器的效率可以提高。 2 3a 、a b 、b 、c 类微波功率放大器电路 按照信号在一个周期内的导通情况，即按照导通角划分功率放大器可以分为： a 、b 、a b 、c 类功率放大器。在功率放大器的应用中，功率放大器的工作状态的 确定和放大器的非线性和效率有着密切的关系，如图2 4 所示a 、b 、a b 、c 类功 率放大器的工作状态，下文对功放的这几种工作状态作一下简单的介绍。 i o s b c y d s 图2 4 功率放大器静态工作状态 1 ) a 类功率放大器 a 类功率放大器在几种类型中线性度最高，它总是工作在放大区，在整个信 号周期内功率管处于完全导通状态，即导通角秒= 1 8 0 0 ，适合放大a m 、s s b 等非 恒定包络已调波【1 5 1 。在功率管没有信号输入时，电源供给的全部功率都消耗在功 率管上，即功耗达到最大使得a 类功率放大器的效率降低理论上最高7 7 m 钒_ = 5 0 ， 而在实际应用中a 类功率放大器的峰值效率不会超过4 0 。 在小信号输入时，a 类功率放大器始终工作在线性区，可以使用最大功率增 益、最小噪声系数等设计方案。在大信号输入时，a 类功率放大器可能在非线性 区工作，会出现较大的非线性失真。在输出匹配电路的设计中，为抑制信号的谐 波，减小信号的非线性失真应该提高输出匹配电路的品质因数。 电子科技大学硕士学位论文 2 ) b 类和a b 类功率放大器 b 类功率放大器一般采用推挽结构如图2 5 所示，功率管在输入波形的半个周 期内分别导通，而在另半个周期则是截止的。一只管子在输入信号的正半周工作， 另一只在负半周工作，在这种结构电路中当一只管子导通工作时，另一只就处于 截止状态，当信号电压的另外半周来到时二只管子的工作状态正好交换，即用两 只功率管分别放大半个正弦波，然后在负载上合成一个完整的正弦波，但这样工 作的缺点是在输入信号较小时会产生交越失真【1 4 彤】。在静态时漏极电流i d 为零， 漏源间电压为。由于功率管在半个周期内导通，电流导通角为0 = 9 0 0 ，所以 输出是一个半波正弦信号。b 类功放在静态时不消耗功率，因此效率较a 类放大 器提高，理论上可达到刁一口= 7 8 5 。 八锄 旷 弋p 图2 - 5b 类功率放大器的典型电路结构 a b 类功率放大器是在综合考虑了a 类和b 类功率放大器各自存在的问题而 提出来的。由于b 类功率放大器存在交越失真使得b 类功率放大器的线性没有a 类功率放大器好。为解决这一问题，可将功放管的偏置电压略高于管子的门限电 压，这样就使得在静态时功放管输出的电流稍大于零，使得在输入较小的信号时 功放管就能导通，从而使功放管在大于信号半个周期的时间处于导通，也就消除 了交越失真，此类功放称之为a b 类功放。a b 类功率放大器的理论效率介于a 类 和b 类功率放大器之间。 3 ) c 类功率放大器 c 类功率放大器又称为谐振功率放大器，与a 类功率放大器有基本相似的电 路结构，放大器的导通角秒 9 0 0 ，属于非线性功率放大器，只适合放大恒定包络 1 2 第二章微波功率放大器的理论基础 的信号。晶体管c 类功率放大器的典型电路如图2 - 6 所示。 k 以d v b b 图2 - 6 晶体管c 类功率放大器典型电路结构 c 类功率放大器工作在较高的非线性状态下，其波形中包含有很丰富的谐波分 量，因此如果把负载并联l c 回路调谐在某次谐波上，c 类功率放大器就可构成一 个倍频功放电路。c 类功率放大器的理论效率介于8 5 到9 0 之间，具体值依赖 于导通角。 a 、a b 、b 、c 类功率放大器都可以等效成受输入信号控制的电流源，它们有 较大的功率损耗，所以效率不是很高，为了提高功率管的效率采用减小导通角的 方法，让功率管漏极的工作电流为脉冲方式，使功率管在信号的一个周期内消耗 的功率减小，效率得到提高。导通角和效率成反比，导通角越大，效率越低u 5 。 2 4 开关模式功率放大器 开关模式功率放大器有很多电路结构，但他们没有统一的电路结构表示。开 关模式功率放大器的一个共同特点就是理想情况下没有功率损耗，即电压和电流 不会在器件上同时出现。在此种模式下功率管在工作时等效为受输入矩形波控制 的开关，这种开关模式功率放大器在理想状态下漏极效率可达到1 0 0 。d 、e 、f 类功率放大器是开关模式功率放大器的几个主要结构，下面将分别对其介绍。 1 ) d 类功率放大器 d 类功率放大器主要有两种形式：电流型d 类放大器和电压型d 类放大器。 电流型d 类放大器的漏极电流为矩形波；电压型d 类放大器的漏极电压为矩形波。 电子科技大学硕士学位论文 在设计d 类功率放大器电路的时的基本要求是：功率管在导通时，饱和压降为零： 截止时，流过功率管的电流为零。显然，这时的功率管处于开关工作状态。 图2 7 是单端推挽式电压开关型d 类功率放大器原理图，电流开关型d 类功 率放大器在这里就不再介绍。加在器件两端的电压为脉冲状，输出电路包含一个 串联谐振回路用来滤除谐波分量。 争、 激 励 4 5 输出功率平坦度 1 如 3 2 功率放大器芯片的选择 选择合适的功放管是成功设计功率放大器的关键因素之一，在选择功率放大 器功率管时应根据电路设计的实际要求及晶体管的参数等进行选择。例如，为了 获得大的输出功率就应该选择那些热阻小、电流容量大、效率高、输入和输出匹 配能力好的晶体管。在使用效率较大的晶体管时，要注意的问题是一般效率高的 晶体管的输入阻抗和负载阻抗都非常低，这就给放大器的匹配提出了更高的要求。 本文采用c r e e 公司生产的s i c m e s f e tc r f 2 4 0 1 0 型号的功率管，根据 c r e e 公司提供的数据可以得到该型号功率管的主要参数，在常温下2 5 。c 下器件 最大可以承受1 2 0 v 的漏极电压，一2 0 v + 3 v 栅极电压范围，由前面章节中对e 类 功率放大器的分析可以得到器件最高工作电压与电源电压存在如下等式关系： = 3 5 6 2 v n d ( 3 - 2 ) 因此e 类功放电路电源电压可以选择在3 3 v 左右。本文选择了= 3 0 v 。 表3 2 给出了c r f 2 4 0 1 0 的性能参数。 电子科技大学硕士学位论文 表3 - 2c r f 2 4 0 1 0 性能参数 工作频率 o 5 g h z 小信号增益 1 5 d b l d b 压缩点输出功率 1 0 w 3 3 介质基片的选择 介质基片是电磁波的传输通道，同时也是电路的支撑体。在实际应用中一般 要选择损耗小，表面光滑度高、硬度强、韧性好、易于加工的介质基片。在频率 较高时，介质基片的介电常数对电路的尺寸大小有直接的影响，要根据实际的情 况选择介质基片。随着频率的升高微带线的传输损耗会增加，损耗与导体，介质 材料有关，在毫米波频段，由于电路损耗相对较大，为了减小损耗一般选用低介 电常数的介质基片。同时，厚度小的介质基片可以有效的抑制各种高次模的存在。 本文采用r o g e r s 公司的r t 4 3 5 0 ，其主要参数如表3 3 所示。 表3 3r t 4 3 5 0 主要参数 介电常数 3 4 8 介质厚度 0 5 0 8 m m 损耗角正切 0 0 0 4 敷铜厚度3 5 1 x m 导热率 0 4 5 ( 1 0 0 ) 3 4 偏置网络的设计 偏置电路影响功率放大器的稳定性和频响特性，因此在设计时要仔细考虑。 在确定了放大器的工作状态后，就必须确定偏置网络以便为晶体管提供合适的静 态工作点。偏置网络不仅要提供适当的直流工作状态，还要确保直流偏置与射频 信号间的相互隔离，同时还起到抑制温度变化和稳定器件工作状态的作用。在高 频段，偏置网络会对功率放大器的匹配网络产生影响，应该作为匹配网络的一部 分来进行考虑l l 引。 偏置网络有两大类型：有源偏置网络和无源偏置网络。无源偏置网络又成为 自偏置网络是最简单得偏置电路，一般由电阻网络组成，它可以为射频晶体管提 供合适的工作电压和电流。但是，无源偏置网络对晶体管的参数变化很敏感，并 且温度稳定性较差。通常采用有源偏置网络来解决无源偏置网络的缺陷。虽然相 第三章e 类功率放大器的设计 对于无源偏置网络有很多优点，但它也存在一些问题，如增加了电路尺寸、增加 了电路排版的难度以及增加了功率消耗。因此，在实际应用中应根据设计的要求 来选择合适的偏置网络。 由于本文设计的功率放大器工作在较高的频率，所以偏置电路由1 4 波长高阻 线及高频旁路电容( 旁路电容相当于1 4 波长低阻线) 组成，如图3 2 所示。采用 高频旁路电容代替低阻线可以方便后期的调试。高阻线一般特征阻抗较高、宽度 较窄长度为1 4 波长，可以对高频信号呈现很高的阻抗相当于开路，起到了对射频 信号的隔离作用。高频旁路电容对高频旁路电容呈现很低的阻抗，相当于短路同 时起到滤除电源杂波的作用。设计偏置电路的基本原则如下： ( 1 ) 反射小，即对主传输线的附加驻波要小 ( 2 ) 引入噪声小，即要求在有高频能量传输的网络中，尽量使用无耗网络 ( 3 ) 附加损耗小，即要求在频带内呈现纯电阻要小，使能量尽可能的沿主线 传输到负载，但有耗网络的引入可以改善系统的驻波，因此可以根据具体的设计 需要进行取舍 ( 4 ) 高频能量泄漏小，即要有一定的频率选择性，不能使频带内的高频能量 沿馈电泄漏出去，而使放大器的增益和输出功率降低。 瓠寻一簟 ；工工工工 一 一一 一 ：，一，一，一： 3 5e 类功率放大器的仿真设计 功率放大器的全部仿真采用a g i l e n t 公司的a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 仿真软件来完成。a d s 软件支持所有类型的r f 设计，是当今国内各大学和研究 所使用最多的微波射频电路和通信系统仿真软件，它功能强大，仿真手段丰富多 彩，包括时域电路仿真( s p i c e 1 i k es i m u l a t i o n ) 、频域电路仿真( h a r m o n i cb a l a n c e 、 l i n e a r a n a l y s i s ) 、三维电磁仿真( e ms i m u l a t i o n ) 、通信系统仿真( c o m m u n i c a t i o n 电子科技大学硕士学位论文 s y s t e ms i m u l a t i o n ) 和数字信号处理仿真设计( d s p ) 等。同时它可以直接把设计 的电路原理图转化成p c b 版图。 采用c r e e 公司提供的c r f 2 4 0 1 0 器件模型如图3 3 所示。利用a d s 仿真软 件进行仿真设计其具体步骤如下： l 、直流偏置仿真。考察功率管的直流特性，确定管子的直流工作点。 2 、负载及源牵引仿真。采用负载牵引的方法来得到功率管的最佳源阻抗和最 佳负载阻抗，然后以此最佳阻抗为参考在根据e 类功率放大器原理设计输 入输出匹配电路及偏置网络。 3 、用谐波平衡仿真对完整的电路进行仿真。对电路的参数进行优化，观察仿 真结果使仿真结果达到设计指标并留有一定的余量。 i l j 蔓 可可 t h 脯 i t r e eo r o p r l e t a 叫m o d a l 薅= r f 2 4 0 1o x 2 t - - - - 2 5 羹1 篇0 。0 0 to h g i r l 图3 - 3c r f 2 4 0 1 0 模型 3 5 1 直流特性仿真分析 在功率放大器的仿真设计中第一步就是对功率管进行直流特性仿真来确定功 率管的直流偏置条件。在a d s 2 0 0 8 中，c r f 2 4 0 1 0 的直流仿真电路如图3 4 所示。 从c r f 2 4 0 1 0 的d a t a s h e e t 中可以知道功率管的栅源电压是- 2 0 3 v ，漏源电压可以 达到1 2 0 v ，在本文仿真中，我们取栅源电压的变化范围是1 5 v ，漏源电压的变 化范围是0 - - 1 0 0 v 。仿真结果i