（电磁场与微波技术专业论文）用于wimax和lte的f类高效功率放大器研究与设计.pdf

摘要 摘要 作为无线通信系统发射端的重要模块，射频功率放大器的效率问题是人们关注的焦 点。随着些新的业务和标准( 如w i i a x ，l t e 等) 的发展，人们对无线通信系统发射 端提出了薪的要求：具有更高的输出功率，效率以及增益。丽作为发射端末级的功率放 大器是无线通信发射机中最关键的部件之一，关系到各种通信系统的通信品质，同时它 也是系统中的瓶颈部件，因为它存在着较大的能量功耗，所以业内技术人员一直在寻找 降低功耗的途径。高效率功率放大器便因此应运而生。本文对f 类高效率功率放大器进 行了研究。 本文首先简单介绍了放大器的基本原理，然后介绍了放大器的分类以及主要技术指 标。然后又详细介绍了f 类放大器和逆f 类放大器的基本工作原理和基本电路结构。f 类放大器的实现是基于特殊的漏极电压电流波形，即漏极电压为方波，而漏极电流为半 正弦波，且两者相位相差1 8 0 度。f 类放大器的设计关键取决于谐波控制电路。 本文的工作主要是给出了两种结构的f 类放大器和一种逆f 类放大器的设计。这三 个放大器均由两级h f e t 管f p 2 1 8 9 级联而成，在频率为2 6 g h z 时实现高效率高增益输 出。其最大输出功率均为l 瓦。第一部分是基于基本结构的f 类放大器的设计与实现， 在输出功率为3 0 d b m 时，其效率达到6 2 5 4 ；第二部分是微带结构的f 类放大器的设 计与实现，在输出为3 0 d b m 时，效率达到6 5 4 1 ：第三部分是微带结构的逆f 类放大 器的设计与实现，在输出为3 0 d b m 时，效率达到了7 4 0 5 。这三种结构均实现了高效 率输出，并且都有很好的二次和三次谐波分量。 【关键词】f 类，逆f 类，高效率，放大器 a b s t r a c t a b s t r a c t i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i t t e r s ，t h ee f f i c i e n c yo fr fp o w e ra m p l i f i e r si sa l m o s t a l w a y st h ef o c u so fd e s i g n e r sc o n c e r n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv a r i o u sn e ws e r v i c e sa n d s t a n d a r d s ( w i m a x ，l t e ，e t c ) t h e r eh a sb e e nn e wr e q u i r e m e n t st ot h et r a n s m i t t e r si nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n s ：h i g h e ro u t p u tp o w e r ，e f f i c i e n c ya n dg a i n ，t h ep o w e ra m p l i f i e r , a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h et r a n s m i t t e r s ，u s u a l l yd e t e r m i n e st h eq u a l i t yo fv a r i o u s k i n d so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n da tt h es a m et i m ei st h eb o t t l e n e c ko ft h ew h o l es y s t e m d u et oi t sl a r g ep o w e rc o n s u m p t i o n ，w h i c hh a sa l w a y sb e e nt h ed e s i g n e r s t a r g e tt or e d u c e t h es t u d yo ft h i sf i e l dl e dt ot h ed e v e l o p m e n to fh i 【9 1 1e f f i c i e n c yp o w e ra m p l i f i e r s ，a m o n g w h i c hc l a s sf p o w e ra m p l i f i e r si st h em a j o rt o p i co f t h i st h e s i s t h i st h e s i sf i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ep o w e ra m p l i f i e r s ，a n dt h e n i n t r o d u c e st h ec l a s s i f i c a t i o na n dm a i nt e c h n i q u e so fp o w e ra m p l i f i e r s t h eb a s i cw o r k i n g p r i n c i p l e sa n dc i r c u i ts t r u c t u r e so ft h ec l a s sfa n dt h ei n v e r s e dc l a s sfp o w e ra m p l i f i e r sa r e d e s c r i b e di nd e t a i l t h ec l a s sfp o w e ra m p l i f i e ri sb a s e do ns p e c i a lw a v e f o r mo ft h ed r a i n ，i e t h ev o l t a g eo ft h ed r a i ni ss q u a r ew a v ew h i l et h ec u r r e n ti sh a l fs i n u s o i d a l ，a n dt h ep h a s e d i f f e r e n c eo ft h ev o l t a g ea n dc u r r e n ti s18 0d e g r e e s 。t h em a i nc o n s i d e r a t i o no ft h ed e s i g no f c l a s sfd e s i g ni st h eh a r m o m cw a v ec o n t r o lc i r c u i t i nt h i st h e s i s ，t w od i f f e r e n tk i n d so ft h ec l a s sfp o w e ra m p l i f i e r , a n do n ek i n d so ft h e i n v e r s e dc l a s sfp o w e ra m p l i f i e r sa 】ed e v e l o p e d a l lt h et h r e ep o w e ra m p l i f i e r sa r er e a l i z e d u s i n gt w oc a s c a d e dh f e t s t op r o v i d eh i 曲e f f i c i e n c ya n dh i 曲g a i n t h el a r g e s to u t p u tp o w e r i s1w a l t t h ef i r s t1c l a s sfp o w e ra m p l i f i e r sc a l lp r o v i d e3 0 d b mo u t p u tp o w e rw i t ht h e e f f i c i e n c yu pt o6 2 5 4 ；t h es e c o n dc l a s sfp o w e ra m p l i f i e r su s i n gm i c r o s t r i ps t r u c t u r e s ，c a n p r o v i d e30 d b mo u t p u tp o w e rw i t ht h ee f f i c i e n c yu pt o 6 5 41 ：a n dt h ei n v e r s e dc l a s sf p o w e ra m p l i f i e r su s i n gm i c r o s t r i ps t r u c t u r e s ，c a r lp r o v i d e3 0 d b mo u t p u tp o w e rw i t ht h e e f f i c i e n c yu pt o7 4 0 5 a l lt h e s es t r u c t u r e sc a r lp r o v i d eh i 曲e f f i c i e n c yo u t p u tw i t hl o w s e c o n da n dt h i r dh a r m o n i cc o m p o n e n t s k e yw o r d s 】 c l a s sf ，i n v e r s e dc l a s sf ，h i g he f f i c i e n c y ，p o w e ra m p l i f i e r i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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 表示了谢意。 研究生签名： 垂窿盔 日 期：里皇：量堑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：雄缸导师签名：牲日期：趔2 必弗 第1 章绪论 1 1 课题应用背景 第1 章绪论 伴随g s m 等移动网络在过去的几十年中的广泛普及，全球语音通信业务获得了巨大的成功。个 人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，结合多媒体消息、在线游戏、视 频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大满足了个人通信和娱乐的需求。另外，利用 网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送到终端，有利于个人通信娱乐设备的微型 化和普及。g s m 网络演进到g p r s e d g e 和w c d m a h s d p a 网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降 低无线数据网络的运营成本，已成为g s m 移动运营商的必经之路。但这也仅仅是往宽带无线技术演 进的一个开始。 面对高速发展的移动通信市场，高带宽的无线技术快速普及。其中w i m a x 技术作为支持同定和 一定移动性的城域宽带无线接人技术是目前业界最为关注的宽带无线接人技术之一。它可以实现削 户在车速移动状态下的宽带接入并接入i p 核心网。主要面向用户提供宽带数据业务，也可以提供语 音业务。w i m a x 最大的特点与优势是集中了有线接入与无线接入的优点，集成了w i f i 无线接入技 术的移动性和灵活性，以及d s lc a b l em o d e m 等线缆宽带接入技术的高宽带特性和o o s 服务质量， 而其中最突出的是较为理想的非视距传输距离特性。灵活的部署与配置伸缩行性，o o s 质量保证和 最大的安全性“。 同样为用户提供移动无线宽带接入服务的l t e 是加拿大多伦多的3 g p p 工作组提出的，是高速率， 低时延，分组化无线接入技术的3 g p p 无线接入演进。l t e 要求降低每个比特的成本，提供更多的服 务，灵活的使用已有的和新的频率，开放式的接口，简化的体系结构，经济节约的终端功率消耗。 日前国际电信联盟旗下的无线电通讯部门公布可作为下一代的i m t a d v a n c e d 无线宽频技术的 标准，包括w i m a x 、l t e 、以及日本以v s f o f c d m 技术为基础的的x g - p h s 。可见w i m a x 和l t e 在 4 g 的研究中都将有广阔的研究前景h 1 1 。 1 2 课题研究的目的和意义 随着移动通信事业在我国的迅速发展，提高功率和效率，降低电源损耗，减小体积、重量，延 长通话时间，成了亟待解决的关键性技术问剧。整机系统中发射机的功耗占了大部分，而其末端 的功率放大器( p a ) 又是瓶颈部件。对于不同类型的发射机，末级功放功耗占整个系统的6 0 - 9 0 ， 制约了系统的性能。普遍采用的功放有a 类、b 类和c 类，这三类功放效率的提高都是以减小品体 东南大学硕士学位论文 管导通角和加大激励功率为代价的，若功放中的功率管工作于导通状态，则集电极耗散功率增大， 效率就很难进一步提高。c 类功放虽然有相对较高的效率，但是在得到合适输出功率的情况下，其 实际效率约为6 0 8 0 ，如果进一步减小导通角，效率有所提高，但是输出功率会下降；当导通 角为零时。c 类功放的理想效率达到1 0 0 ，但是输出功率为零。 基于此，一种提高功放效率的途径便应运而生：使晶体管工作在开关状态的f 类功放 。f 类功放被认为是新一代的放大器，它是b 类特殊变形。其特征是：它的负载网络不仅在载波频率上 会发生谐振，而且在一个或多个谐波频率上也会发生谐振。最初被选用为低频放大器，近年来在r f 频率变得流行，它可以获得比b 类放大器更高的效率，这是因为输出谐波是电抗性调谐的，不只是 确保在谐波频率没有耗散，而且当电流很大时，通过保持尽可能低的器件电压来最小化器件内部的 功率耗散。 f 类功放的设计通常是通过对集电极电压和电流重新塑形来提高效率和输出功率的。可以将电 压和电流其中之一利用谐波的选择将其近似塑形为方波，另一个塑形为半正弦波，使得电压电流不 能同时为大值，输出端由滤波器将输出波形塑形为正弦波，从而减小了损耗，提高了效率。 1 3 本文主要内容 本课题提出了两种应用于w i m a x ( 其中的2 5 0 0 - - 2 6 9 0 m h z 频段) 和l t e ( 其中的2 5 0 0 - - 2 6 2 0 m p z 频段) ，输出功率是l 瓦的低功耗高效率f 类功率放大器和一种逆f 功率类放大器设计与实现。使 用两级功率容量l 瓦，表面贴片封装格式为s a t 一8 9 的h f e t 管f p 2 1 8 9 ，来实现在频率为2 6 g h z 时 的f 类( 逆f 类) 输出，当输出功率为3 0 d b m 的时候，使其效率接近理论值7 5 从而可以很好的 解决上述无线通信系统的发射效率问题。 本文的共分为五章： 第一章介绍本文实现的功率放大器的应用背景，即w i m a x 和l t e 的发展和现状，然后介绍了本 文的研究目的和意义。 第二章简要的介绍了各类功率功率放大器的原理和相关性能指标的含义，并简单对比了各类功 率放大器的性能优劣。 第三章详细介绍了f 类功率放大器的工作原理，基本结构以及效率与波形的关系。并简要介绍 了逆f 类功放的原理和与f 类功放的性能比较。 第四章主要介绍了基于基本结构的f 类放大器、控制特定谐波的f 类功率放大器以及基于基本 结构的逆f 类功率放大器的设计与实现过程，并对各个功放进行了测试和研究 第五章，总结本课题的工作，并提出今后改进的方向。 2 第2 章功率放大器基本原理 第2 章功率放大器基本原理 2 1 功率放大器概述 功率放大器是射频发射机的最后一级，其主要功能是给天线提供足够的信号发射功率。 图2 1 所示是一个通用的功率放大器方框图，初始信号经过驱动提供给有源器件，通过有源器 件的放大作用把直流功率转换为交流信号功率，再经过负载网络进行变换，提供给负载。负载一般 为一个标准阻抗为5 0q 的天线。 r巧 图2 1 常规放大器电路 射频功率放大器按线性度分类可以分为线性放大器和非线性放大器n 吲。线性功率放大器又称经 典功率放大器，分为a 类、b 类、a b 类和c 类，它们的主要差别在于静态工作点不同。晶体管静态 工作点的不同，使其在每个周期导通时间不同，即导通角不同。a 类放大器导通角为2 。b 类放人 器导通角为，c 类放大器导通角小于丑，a b 类放大器导通角介于丌和2 之间。a 类放大器提供了 很好的线性度，但效率最低，a b 类、b 类和c 类放大器通过减少一个周期中晶体管工作时间来提高 效率，同时保持了线性调制的可能性。总之，导通角和效率成反比，导通角越大，效率越低。线性 放大器的共同点是晶体管作用相当于电流源。而接下来提到的非线性放大器晶体管工作在开关状态。 非线性功率放大器也称开关模式功率放大器，其晶体管等效为受控开关，在理想情况下，品体 管或者两端的压降为零，或者通过它的电流为零，因此其i - v 乘积总为零，所以晶体管不消耗任何 功率，其效率可以达到1 0 0 。开关模式功率放大器都是非线性放大器。只能应用于采用恒包络调制 方式的发射机系统中，但由于它们能提供相对较高的效率，通过采用各种线性化技术后它们也被人 量应用于各种非恒包络调制方式的发射机系统中。与传统功率放大器相比，它们的增益相对较低。 根据实现方式的不同，非线性功率放大器又可分为d 类、e 类、f 类和逆f 类。 3 东南大学硕士学位论文 2 2 功率放大器的分类 从晶体管的工作类型来看，功率放大器可分为线性放大器和非线性放大器。其中线性放大器包 括a 类、a b 类、b 类、c 类等，开关放大器包括d 类、e 类、f 类等，下面分别介绍各类放大器的工 作原理及特点1 。 2 2 1a 类射频功率放大器( c la s sa ) 在a 类功放的设计中，选择偏置使得m o s 晶体管工作在饱和区，晶体管导通角3 6 0 。，纯线性工 作，真实再现信号波形，如图2 2 ，2 3 所示。a 类功率放大器广泛应用于高保真音频放大以及要求 不失真输出的射频放大，如放大a m 、s s b 、q j a 】i i 等信号的放大器。当输出电压等于电源电压时，a 类 功放效率达到最高的5 0 。 v g s p y d dv m 耐v d 蛔。 图2 2h 类负载线和偏置点 lt + v l i v m 图2 3a 类放大器和等效电路 4 第2 章功率放大器基本原理 2 。2 ，2b 类射频功率放大器( ( 3 1 a s sb ) 在b 类功率放大器中，晶体管工作状态与a 类相同。只是晶体管导通角变为1 8 0 ，如图2 4 所 示，晶体管刚好偏置于截止状态。当没有信号输入的情况下，功放不损耗电源，从而提高了效率。b 类放大器大多采用推挽电路来提高效率。但会在推挽电路中出现交越失真，如图2 5 所示，也就是 说b 类功放是用所产生的失真来换取效率的明显改善。 珥； k i m v o s v 帅v m - v i e m 图2 4b 类负载线和偏置点 k i d b c r o s s o v e re f f e c t ， p n n 图2 5b 类功放的交叉失真 2 2 3a b 类射频功率放大器( c l a s sa b ) a b 类功率放大器界于a 类和b 类之间，其导通角大于1 8 0 。小于3 6 0 。，如图2 6 。在推挽放大 电路中给晶体管分别加上一个弱偏置，使两只晶体管均处于微导通状态，避免出现b 类推挽电路的 交叉失真，如图2 7 所示。因此a s 类在失真度指标上明显优于b 类，而在效率指标上明显优于a 5 sk p 狰 o 东南大学硕士学位论文 类。实际效率可达3 0 3 5 。 nn。 一uu t 图2 6 反相操作原理( 互补结构) 图2 7a b 类放大器的交叉失真改进 2 2 4c 类射频功率放大器( c l a s so ) 在c 类功率放大器中，栅极的偏压使得晶体管在小于一半的时间内导通，即导通角小于1 8 0 0 。 因此，漏极电流是由周期性的一串脉冲构成的。如图2 8 ，2 9 ，当驱动信号足够强时，晶体管会进 入饱和导通状态，输出与输入信号同频率的脉冲信号，晶体管以信号频率对电源进行导通和关断， 输出信号相对于输入信号会产生严重的失真，因为包含了输入信号的很多谐波成分，必须通过滤波 器从输出信号中分离出输入频率；另一方面，c 类功率放大器能通过调整导通角，来获得所需的谐 波成分。 6 第2 章功率放大器基本原理 2 v r、，p i d s l v v c 。 v i m _ 图2 8c 类负载线和偏置点 图2 9 射频自动偏置 2 2 5d 类射频功率放大器( cia s sd ) 在d 类功率放大器的设计中，选择偏置使晶体管作为开关工作，减小导通和截止之间的过渡损 耗，并且假设理想开关不消耗任何功率，因此d 类功率放大器的理想效率可以达到1 0 0 。效率相 对于c 类放大器有所提高，而且很显然d 类放大器也需要调谐网络来提取所需的频率成分。图2 1 0 ， 2 1 1 分别是互补结构和推挽结构的d 类放大器。但是由于d 类功放( 包括其它所有开关功放) 面临的 一个实际问题是并没有理想开关这样的部件，因此在开关过程中非零的饱和电压肯定会产生静态功 耗，而有限的开关速度也意味着开关的v i 积在过渡期间不为零，因此d 类功放效率肯定不能达到 1 0 0 。 7 b - p 扭。 东南大学硕士学位论文 v f v “ 补结构的d 类放大器 k i hc h 图2 。1 1 推挽结构的d 类放大器 2 2 6e 类射频功率放大器( c i a s se ) c 口1 d v 一 。l 口。 e e 类功率放大器，特点是将晶体管作开关管，相对于传统的将晶体管用作电流源的a 、b 、a b 类功率放大器，具有更高的附加功率效率( p a ep o w e ra d d e de f f i c i e n c y ) ，而相对于d 类放大器e 类放 大器只需一只开关管，因此可以工作在更高的频率。图2 1 2 所示为m o s f e t 晶体管实现的e 类功 率放大器的基本结构。其中晶体管作为通断开关，集电极的稳态电压和电流必须在一个周期内不相 交，如图2 1 3 所示。e 类功率放大器的负载网络由几个基本单元组成，与晶体管并联的电容c 。，串 联电抗元件，滤除谐波的串联l f c l 电路和负载电阻r l 组成。晶体管的集电极通过l 玎扼流圈与直流 电压源相连，该扼流圈对基波拥有无穷大阻抗。器件输入信号的驱动下，工作在导通或者截止状态。 此时e 类功放可以简化为图2 1 4 所示的电路。 其中r o n 为晶体管处于深三极管区时的漏源电阻。当v b 大于v r n 时，晶体管工作在深三极管区， 8 翌li 飞 一 v 址h 第2 章功率放大器基本原理 相当于开关闭合，由于漏源间电阻r o d 很小，因此理想情况下v d 近似为零：而当v i 。小于v t n 时， 晶体管截止，相当于开关断开，c 开始充电，这样引起v d 增加，调谐网络从v d 中滤出基波，传输 到负载电阻上，并且可以通过对电容c 和调谐网络参数的调节，使得当开关再次闭合时，有v d = o 和d v d d t = o ，从而使得晶体管上电压和电流不同时出现，消除了由于充放电带来的1 2 c v 2 的损耗， 晶体管理想效率达至41 0 0 。 v d d l l - - r l 图2 1 2 所示为m o s f e t 晶体管实现的e 类功率放大器的基本结构 o 图2 。1 3e 类放大器中理想电流与电压的波形 图2 1 4 理想e 类功率放大器中晶体管工作在导通和截止状态时等效电路 除了高效率，e 类功放还有一个优点在于它的功率可调节性，即在保证输出效率的同时能较大 范围的调节输出功率。因为晶体管相当于开关的作用，所以输入信号不会影响输出功率的大小，而 9 东南大学硕士学位论文 输出功率是与v 帅：成正比，同样的，当晶体管处于三极管区时，漏源间的电阻r 。上会有功率消耗p 煅， 这是e 类功放的最主要功率损耗，由于p 吣与v 。：成正比，因此，我们可以将漏极效率表示为： 彰= 圪f 厅( 易叮+ 最傩) = c 。其中c 为常数。这样，e 类功放就能在保持较高效率的同时，通过 调节电压保证一定的输出功率。 2 2 。7f 类射频功率放大器( c i a s sf ) f 类放大器几乎是最早出现的高效率放大器，其工作原理是在晶体管和输出负载之间串联一个 三次谐波并联谐振电路，增加晶体管漏极电压波形中的三次谐波成分，从而改变漏极电压的波形， 使其更平坦，在相同输出功率时，晶体管工作电压较低。f 类功放的工作原理如图2 1 5 所示。 图2 1 5f 类功放的工作原理 从以上的介绍可以看到，功率放大器可以大致分为两类。a 、b 、a b 、c 类功率放大器作为一 类，特点是将晶体管用做电流源，能够提供很好的线性度，但是却牺牲了功放的效率；而基于开关 概念的放大器则相反，通过牺牲线性度调制能力换来较高的效率，并且能工作在较高的频率下，因 此越来越受到人们的重视。 2 3 性能指标 衡量放大器性能的指标主要有：增益和增益平坦度、工作频段、输出功率、漏极效率和功率附加效 率、三阶交调失真等z o - 2 2 1 。 2 3 1 增益和增益平坦度 功率放大器的功率增益一般是指转换功率增益( t r a n s d u c e rp o w e rg a i n ) ，即转送到负载的功率 剃来自源的可用功率之比。这种定义包含了功率放大器输入端和输出端已经分别共轭匹配。 q = 。 1 0 第2 章功率放大器基本原理 增益平坦度是指在功率放大器的允许工作温度，工作频率范匿内，最高增益与最低增益的分炅 数之差的平均，即： a g = 等等c 留， 2 3 2 工作频段 功率放大器的工作频段是指其在满足设计要求的性能指标前提下的工作频率范围。 2 3 3 输出功率( 单位d b m ) 输出功率是指功放输送给负载的功率，以瓦( w ) 为基本单位。功放在放大量和负载一定的情 况下，输出功率的大小由输入信号的大小决定。 1 ) 最大输出功率：功率放大器的最大输出功率用饱和输出功率来表示，是指当功率放大器的 输入功率达到某一值后，再加大输入功率也不会改变输出功率的大小，此时的输出功率称 为饱和输出功率。当然这种说法是不严格的，因为功率放大器的转移特性在饱和时很少表 现为常数，通常这个功率大约比线性功率增益低5 d b ，在工程上通常用功率增益6 d b 压缩 点的输出功率作为典型的测量点。 2 ) l d b 压缩点输出功率：通常放大器有一个线性动态范围，在这个范围内放大器的输出功率随 输入功率线性增加，这时的功率增益就是小信号功率增益g 0 ( 一般为常数) 。随着输入功率 的继续增大，放大器进入非线性区，当晶体管的增益偏离这个常数且比其小信号增益低 d b 时，此点就被称为i d b 压缩点，l d b 压缩点的相应增益记为g 1 凹。且有g l 曲= g o 一1 - 此 时的输出功率称为墨船压缩点输出功率，如图2 1 6 所示。 目 屯 需 唇 丑 接 输入功率, i b m 图2 1 6l d b 压缩点输出功率示意图 东南大学硕士学位论文 2 。3 4 漏极效率和功率附加效率 ( 1 ) 效率 在输入信号作用下，直流电源提供的直流功率尸中，一部分被转换为输出信号功率咒，其余部 分将消耗在功放电路中，形成损耗置。露。放大器的效率吁定义为： 7 7 = 二尘一 。 r + 置峭 由公式可知，r 越大，表明给定局时，所需的p 就越小，相应的，最。岱也就越小。由此可见，在 输出功率一定的条件下，提高效率就意味着电源供给功率和放大器损耗功率降低。这对于降低能源 损耗，减小成本具有非常重要的意义。 ( 2 ) 功率附加效率 由于上个效率指标韵定义会造成一个没有任何功率增益的功率放大器却可以赋以很高的效率。 因此提出了一种把功率增益考虑在内的性能指标。功率附加效率( p o w e r - a d d e de f t i c i e n c y , p a e ) ： p a e ：墨二生 民+ p s s 很明显，功率附加效率总是小于漏极效率。 2 3 5 三阶交调失真 用图2 1 7 所示的相距5 1 0 m h z 的双音信号国l 和2 ，当经过放大器放大后，由于器件的非线性， 输出产生的不仅有l 和( 0 2 ，还包含了其他诸如图2 1 7 所示的m o ) l 士n 2 的频率互调分量，其中i n + n 为互调分量的阶数。 f。 一 l i a p 个th l 2 3 m j - 2 t 0 22 t o l 一2 1 ) io ，22 i + 23 t o i + 2 t 0 2c o 图2 1 7( a ) 双音输入信号( b ) 双音信号输出频谱图 1 2 第3 章f 类功率放大器的原理 第3 章f 类功率放大器的原理 3 1f 类功率放大器的产生 在各种类型的功率放大器中，f 类功放由于其高效率、高输出功率的优势而受到越来越多的关 注。将板极电压波形的底部变平的好处最早是在1 9 1 9 年发现的，到了1 9 5 8 年t y l e r 还首次提出了多 谐振的f 类功放的实现方法和总体描述【2 3 1 。第一个超高频f 类功放技术的应用是由s n i d e r 提山的1 2 4 】， 他研究了一个所有谐波阻抗均为无穷或零的最佳负载功放，同时，他还研究了一种谐波功率能够传 输到负载的过激励功率放大器。随后，c o l a n t o n i o 等人【2 5 。2 6 1 又详细阐述了谐波产生机理以及谐波控 制在优化f 类放大器性能方面的重要性。如果器件输出端在奇次谐波频率下开路，而在偶次谐波频 率下短路，这样漏极电压的时域波形变为方波，而漏极电流变为半正弦波。这种状态下功率放大器 就工作在f 类模式。从时域的漏极电压电流波形可以分析出，当漏极电压达到最大时漏极电流很小， 当漏极电流达到最大时漏极电压很小。漏极电压电流不会同时达到最大，因此减少了晶体管的功率 消耗，提高了效率。 在射频和傲波频段，对于d 类和e 类交换模式的操作中，用晶体管则很难实现快速交换。但是 幸运的是，我们可以在有限数量的谐波中控制负载阻抗，这也是f 类功放在高频实现高效率的原因 之一。 3 2f 类功率放大器的基本原理 f 类功率放大器是b 类特殊变形嘲。为了增加过激励b 类工作的效率，最好是使漏极电流的角度 参数幺= 9 0 。，为一常数，即保持漏极电流波形为半个正弦波形，漏极电压波形的臼逼近0 ，如图 3 1 所示。 v 0 兀 2 氕 v c c ( 1 十k 1 2 v c c v c c 0兀0 冗 困3 1 最佳效率下的b 类集电极电流和电压波形 1 3 东南大学硕士学位论文 极端情况下的鼠= 9 0 6 ，漏极电压逼近方波，这样基波电流和电压分量分别为： 厶= 冬 k ：4 v c c 基波的输出功率为： 弓：v c c l s 7 r 直流功率为： b = 半c 和争万zz 当q = 9 0 。时，直流功率的值与式( 3 3 ) 相同。即 昂：v c c i 、s 结果，理论上- - i 以达到的最大漏极效率为： 叩2 鲁圳。 在这种漏极效率为1 0 0 的理想情况下，阻抗条件必须满足以下： iz 夼等 l 乙= 0 ，l 为偶数 【乙= o o ，以为奇数 上式给出的阻抗条件对应于理想f 类工作的电压和电流波形如下图所示： 2 v e c v c c ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 ，3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 图3 2 理想f 类电流和电压波形 这里，奇次谐波的总和给出了方波电压，基波和偶次谐波的总和近似为半个正弦电流的形状。 其电压电流的表达式分别如下： v ( 口) = v c c + k s i no + ks i n m o r a = 3 。5 ，7 1 4 ( 3 8 ) ( 1 一 一 一 ， 一 一 一 一r 一 2 _ 一 - 一 一 一 一 - 一 - 一 一 一 - 一 _ 一 一 一 一 _ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 第3 章f 类功率放大器的原理 妒) = i o 一s i n o - 厶c o s n 8 n = 2 ，4 ，6 用实际的硬件实现理想谐波阻抗条件是不可能的，因为放大器不可能包含无穷阶谐波分量，但 是考虑用若干个电流和电压分量来峰化，应该可以实现功放的高效率工作。虽然包含的谐波分量越 多，越接近理想波形，而且漏极效率随着电压和电流谐波数目的增加而增加。但必须考虑其实际电 路的复杂度和可行性，因此一般情况下只考虑到三次谐波。下面对谐波数和效率的关系进行详细的 分析【”1 。 设九和n 分别为基频电压与直流分量的比例系数；，4 分别为峰值电压与直流分量的比例 系数。对于漏极电压： k = 7 y ( 3 1 0 ) 删= o v ( 3 11 ) 对于漏极电流 = 乃厶 ( 3 1 2 ) f d m 。= 4 j i d ( 3 1 3 ) 由公式( 3 1 0 ) 可以得到输出功率乞，： w ：v l 2 ：监其中也是负载阻抗 2 r ，2 r ， 。 输入直流功率： ( 3 1 4 ) 划。= 甏 由上式( 3 1 4 ) ， ( 3 1 5 ) 得出漏极效率锄： 玑= 磊= 等 组 为了理解一般设计原理，并根据适当的电压和电流波形的频率谐波数数值计算功率放大器效率， f 类功放的近似设计技术中使用了最平坦波形的近似。最大平坦漏极电压波形如图3 3 所示： 2 1 5 i o 5 1 5 o 东南大学硕士学位论文 0 图3 。3 最大平坦漏极电压波形 出于简化理论分析和降低数学计算的难度的凼系，漏撒电压考虑刽血次诣坡，孺微电、沉考愿剑 四次谐波。而忽略更高阶的电压、电流分量，则上面( 3 8 ) ( 3 9 ) 式可简化为以下： v ( o ) = k r + k s i np + 巧s i n3 0 + v 5s i n5 0 ( 3 1 7 ) f ( 口) = o 一s i nb - 1 2c o s2 8 一l c o s 4 b( 3 1 8 ) 由图可知。电压波形到达最大值和最小值的中间点的位置分别在扫= 必和目= 3 必。最小电 压时的最大平坦度要求在臼= 3 偶阶导数为零。由于c 。s ( 甩) = 0 ，n 为奇数时，奇阶导数等于 零必须定义由式( 3 1 7 ) 给出的电压波形的偶阶导数。 公式( 3 1 7 ) 的二次导数、四次导数分别为： 等一k s m v 3s i n 3 0 - 2 5 圪s 枷 ( 3 - 1 9 ) 等= k s i n0 + 8 1 巧s i n 3 0 + 6 2 5 es 5 p( 3 2 0 ) 由于最小电压时的最大平坦度要求式( 3 1 7 ) e 0 = 3 必偶阶导数为零。把目= 3 代入( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ，可得： 0 = k 一9 + 2 5 圪 ( 3 2 1 ) 0 = - v , + 8 1 k 一6 2 5 k ( 3 2 2 ) ( 1 ) 三次谐波峰化 如果只片 j 三次谐波进行峰化，则圪= 0 。由( 3 2 1 ) 可知： 巧= ( ) k 义根据波形可知，在p = 3 必处电压最小为零，由式( 3 1 7 ) 可以推出： 0 = 圪? c k + 圪 1 6 ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 第3 章f 类功率放大器的原理 根据公式c s 2 3 2 4 ，可以计算出：k = 詈，坞= 吉k ，由定义算岍= ( 从而公 式( 3 1 7 ) 又可以写成： v ( 口) = + 詈s i l l 臼+ 丢s 证3 p c 3 2 5 ， 又由于峰值电压m 戤= 圪c + 巧一蚝= 2 ，推出西= 2 。 ( 2 ) 五次谐波峰化 根据公式( 3 2 1 ) ，公式( 3 2 2 ) 可以计算出： 巧= ( ) k ，圪= ( o ) k 。同时公式( 3 1 7 ) 在 p = 3 点处为o ，得： o = 一k + k 一圪 ( 3 2 6 ) 把巧= ( ) k ， = ( 夕品) k 代入公式( 3 2 6 ) ，可以计算出： k = ( 矽么) ，巧= ( 琴2 8 ) c ，以= ( 8 ) c ，根据定义乃= ( 矽么) 。则公式( 3 7 ) 可 以化简为： v ( 臼) = + ( ) s i n 口+ ( 8 ) cs i n 3 8 + ( 8 ) s i n 5 8 ( 3 2 7 ) 又由于峰值电压。= + k e + k = 2 ，推出影= 2 。 ( 3 ) 方波 理想情况下，电压包含所有的奇次谐波， 立叶变化可以得到下面结论： 巧= ( ) 一= 2 可以推出：乃= ( ) ，影= 2 。 此时最大平坦波形为方波。对图3 2 中的方波进行傅 由上面的推导也可以看出，峰值电压。懿= 2 。 包含不同谐波分量的电压波形达到晟大平坦时的系数如表3 1 所示： 1 7 ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) 东南大学硕士学位论文 n 戌凡= 巧。y k m | v d d l 2 l 3 2 9 81 8 5 2 7 5 6 42 5 1 2 8 3 1 2 8 o 。 2 4 | 死 4 | 3 7 t 5 7 r 表3 1 包含不同谐波分量的电压波形达到最大平坦时的系数 最大平坦漏极电流波形如图3 4 所示： 囹3 4 最大平坦漏极电流波形 由图可知，电流波形到达最大值和最小值的中间点的位置分别在口= 3 必和9 = 必。因为公 式( 3 一1 8 ) 晶奇次导数在曰= 必点处恒为零。最大平坦电流波形要求公式( 3 一1 8 ) 的偶次导数在 9 = 也为零。 公式( 3 1 7 ) 的二次导数、四次导数分别为： 斋= 小i n 目+ 4 小。s 2 p + 1 6 小。s 4 目 万d 4 i = 一小i n 口一1 6 j 2c 。s 2 臼一2 5 6 c o s 4 p 1 8 ( 3 3 0 ) ( 3 ，3 1 ) 第3 章f 类功率放大器的原理 由图可见，电流达到最小值和最大值的中点分别是在p = 和p = 3 么。由于c 。s 三= 。且 s i n 等5 o ，n 为奇数，奇阶导数为零，必须以式( 3 1 8 ) 来定义电流波形的偶阶导数。在最小电 流处的最大平坦要求乡= 必时的偶阶导数为零。把臼= 磋代入( 3 3 。) ( 3 3 1 ) ，可得： 0 = ? i 一4 厶+ 1 6 1 4 0 = - 1 1 + 1 6 1 2 2 5 6 1 4 ( 3 ，3 z ) ( 3 3 3 ) 漏极电流波形在0 = 时最小，在8 = j 时最大。将p = 和目= 3 么代入公式( 3 1 8 ) ， ，一 -，工 1- 可以得到： 屯m i 。= 厶一+ l 一1 4 ( 3 3 4 ) 乇= i o + + 乏一 ( 3 3 5 ) ( 1 ) 二次谐波峰化 如果只存在二次谐波，不包含四次谐波时把厶= o 代入公式( 3 3 2 ) 可以推出：厶= ( ) 。 由图可知最小电流如l n i i l = 0 ，把0 = ( ) 代入( 3 3 4 ) ， 得到： k 昙厶 j i 厶= 厶 lj ( 3 3 6 ) 根据定义可以算出：所= 詈，将公式c 3 3 5 ，和c 3 3 6 ，联立可得：如。畎= ( 詈) 厶，从而算出 4 = 。此时( 3 1 8 ) 可以化简为： ，c o ) = 厶一( 詈) 厶s t n 9 一( 厶c 。s 2 乡 c 3 3 7 ， ( 2 ) 四次谐波峰化 由公式( 3 。3 2 ) ( 3 1 3 3 ) 可得：厶= 素，厶= 丽1 。由图可知最小电流i d m i n = 0 , 将l = 素， 1 9 东南大学硕士学位论文 = 去代入方程( 3 3 4 ) ，可以推出： = k 4 6 4 5 i 。 l = ( 詈) 厶 t = ( 驰 将公式( 3 3 8 ) 和公式( 3 3 5 ) 联立可得： j d 。= 1 4 2 5 8 i 。 砀m “2 l4 5 尸 由定义可得：所= 矽5 ，4 = 1 琴呸5 ( 3 3 8 ) ( 3 3 9 ) ( 3 ) 半正弦波 理想情况下，电流包含所有的偶次谐波，此时最大平坦漏极电流波形为半正弦波。对图3 2 中 的半正弦波进行傅立叶变化可以得到下面结论： = ( 詈) 厶 组4 。， 如。= 石厶 ( 3 4 1 ) 得出：y ，= ，4 = 万。 包含不同谐波分量的电流波形达到最大平坦时的系数如表3 2 所示： m 6 ( y l