（电路与系统专业论文）230mhz宽带大功率放大器的研究与实现.pdf

电王科撞盔堂堂焦逾塞2 = 地丛生宽董盍驰奎越太置鲍班塞曼塞班 摘要 在无线通信系统中，功率放大器是其重要的组成部分。它的性能优 劣对整个系统来说影响重大。随着军用、民用通信系统的发展，对发射 系统的研制提出了更高甚至是全新的要求。 课题来源：电子3 0 所，军用短波电台射频前端模块的发射部分。该 发射模块指标要求，2 0 w 以上输出发射功率；在2 3 0 m h z ( 4 倍频程) 带 宽内，增益平坦度为+ l d b 。 基于工程开发的需要，本文讨论了功率放大器的设计、仿真及相关 实现。论文的主要内容包括： 1 介绍功率放大器技术的现状和发展动向。 2 讨论功率放大器设计的一般理论。 3 研究匹配技术，着重讨论宽带传输线变压器的设计 4 推导仿真相关理论，并结合项目验证方案可行性。 5 2 - 3 0 m h z 超宽带大功率放大器的硬件实现和性能测 试。 6 下一步改进建议。 关键字：a d s 仿真，l o a d l if i e 仿真，负反馈技术，非线性特性，功率回 退，传输线变压器。 皇王銎煎盔堂堂僮论塞2 二3 q 丛比宽萤盔功鍪放太墨的珏煎量塞班 a b s t r a c t t om e e tt h eu r g e n tn e e do fp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o na n dh i g hd a t ar a t e s e r v i c e s ，m a n ym a n u f a c t u r e sp a i da t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o fp o w e ra m p l i f i e r t h e d e s i g n ，s i m u l a t i o n a n dr e a l i z a t i o no fr fp o w e r a m p l i f i e ra r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： ai n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fr fh i g hp o w e ra m p l i f i e r a n dt h ef e a t u r e so ft h el i n e a r i t ya m p l i f i e r s as u m m a r i z a t i o na b o u tt h es t r u c t u r eo ft h ep o w e ra m p l i f i e r t h e a n a l y s i s o ft h ed e s i g n t h e o r i e sf o rt h eh fp o w e r a m p l i f i e r s u c ha st h ed e s i g nt h e o r yf o rt h ew i d e b a n dt r a n s f o r m e r s ，t h e l i n e a r i t yt e c h n i q u e s a d e s i g nf o rt h ew i d e b a n dp o w e ra m p l i f i e r al o a d l i n es i m u l a t i o nf o rt h e p o w e r t r a n s i s t o r ，a n df o r t h e c i r c u i t ss t r u c t u r e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na r e av e r i f i c a t i o no f d e s i g n t h er e a l i z a t i o no fa2 - 3 0 m h zw i d e b a n dh i g hp o w e ra m p l i f i e r w h i c hisai m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l et r a n c e i v e r s u g g e s t i o n sf o ri m p r o v i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei nt h e f u t u r e d e s i g n k e y w o r d s ： r fp o w e ra m p l i f i e r ，a d ss i m u l a t i o n ，t h el o a d l i n es i m u l a t i o n ， b r o a d b a n dm a t c h i n g ，p o w e r - r e t r e a t ，n e g a t i v ef e e d b a c k ， n o n l i n e a r i t yc h a r a c t e r i s t i c ， w i d e b a n dt r a n s f o r m e r i i 电王型撞盔堂生僮监童左i q 凹臼z 宽堂塞功室趣太墨鲍班窥量塞班 前言 功率放大器在无线通信系统中是不可缺少的一个重要部分，随着通 信体制的发展，功率放大器进入了高速发展的阶段。为增加信道容量， 通信频道先是从15 0 m h z 移到8 0 0 9 0 0 m h z ，现在又向18 0 0 m h z 频段发 展。为节省频谱资源已经发展出了多种体制：频分多址、时分多址、码 分多址等已经用于数字移动通信系统。现在又出现了多载波码分多址 ( c d m a m c ) 以及正交频分多址( o f d m ) 体制。而且，新型的q a m 调制方式也日趋成熟，它的最大特点是能节省频带宽度。所有这些系统 有共同特点： 1 、属于多载波系统； 2 、基带信号频谱有较大的动态范围。例如，在第三代g s m 系统中，同时进入系统不同载波的电平之间可能有高达1 0 0 d b 的差别。由此可见，伴随着现代通信系统的发展，对功率放大 器的要求也越来越高。 结合其他相关技术，线性、宽带特性、效率等等指标，都有希望得 到很大的提高。 本课题为：超宽带功率放大器的研究与实现。课题来源于电子3 0 所 “军用短波电台的射频前端模块”，本人负责其中2 3 0 m h z 频段的研发。 技术难点： 1 输出功率大，大信号状态下，功率放大管参数易波动 2 工作频带宽，带内增益波动小。要求精心设计、调试传输线变 压器和宽带匹配网络。 3 高、低频干扰的避免。在设计电路的时候，充分考虑干扰的滤 除。尽量减少调试难度。 作者所做的工作： 1 根据项目的总体技术指标要求和要求实现的功能对系统进行 整体规划和设计。 2 对系统各功能电路进行深入分析和理解。并就课题所采用的方 案做仿真验证、讨论、研究，之后设计出完整电路。 3 并完成具体电路的设计、p c b 板布局。 4 精心调试功率放大器电路，最终实现系统功能与指标。 5 对系统最终指标及性能参数进行测量，并进行分析，根据存在 的问题提出改进方法与思路。 本论文的主要工作围绕一部超宽带功率放大器系统的设计与实现展 开。论文首先对射频功率放大器的无线指标进行了介绍，而后对设计放 大器所涉及的理论进行研究和讨论，之后对功率放大器的仿真理论做了 探讨，并进行了相关仿真及验证，给出了仿真优化结果。根据分析以及 计算，参考仿真结果对功率放大器进行设计。最后，对功率放大器做了 硬件实现，并进行了板级测试。 i i i 曳王抖煎太堂堂焦迨塞2 二垫凹h ；窒堂盘功奎趑太墨臼婴塞量塞现 本论文的组织结构如下： 第一章：扼要介绍了功率放大器的分类，应用和发展趋势。 第二章：对功率放大器设计理论作了概要性论述，包括功放电路结构 参数量化，稳定性等。 第三章： 第四章 第五章 最后 研究功率放大器设计中最核心的一一匹配技术，包括传输线变 压器的设计。并结合功放未来发展趋势，讨论当今流行的线性 化技术。 在研究仿真理论的基础上，对功率放大器做仿真。并验证项目 方案。 2 3 0 m h z 宽带功率放大器的硬件实现。 第六章对全文作了总结，提出了进一步改进建议。 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：垒聋置嗡小尹年7 日 f 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：导师签名： 稚够 日期：z e c 牛年f 月t 1 日 丑王抖拄盔生堂位论塞 2 二塑丛h ；宽益太功奎越太昼曲班窒皇塞现 1 1 功率放大器的现状 第一章绪论 哪有无线通信，哪就有发射机，而只要有发射机，就一定有r f 功 率放大器。功率放大器发展至今，有许多种类和应用，有几百毫瓦的蜂 窝电话发射机、有基站几十瓦的功放、也有上千瓦的电视信号发射机， 但所有的功放，其设计所遵循的基本规律几乎是相同的。 功率放大器的历史很悠久，常被认为是个很老的课题。甲、乙、甲 乙类、丙类的划分方法可以追溯到上世纪3 0 年代，现今这样的概念仍然 被广泛使用。然而，随着现代通信体制的发展，特别是数字调制技术的 产生和应用。功率放大器所涉及的许多概念正被重新定义或者修正。现 代功率放大器设计中，引入了很多过去没有的概念和技术。功率放大大 器的设计考虑的因素越来越多，设计中折衷考虑的过程也越发复杂。随 着计算机技术和d s p 技术的发展，设计过程也和传统方法大相径庭，引 入了建模、仿真等新工具。并且出现了很多新的电路方案，例如：结合 d s p 技术的反馈技术，卡特生环等。 功率放大器发展至今，已经广泛的应用于军用，民用通信领域。现 代通信的发展对带宽，线性，效率等指标提出了更高的要求。相应的功 放研究也成了未来的趋势和热点。随着材料，计算机，以及功放相关理 论的进一步发展，可以预见指标更优的功率放大器，不久将会出现，并 服务于无线通信领域。 1 2 功放分类和特点 放大器分类根据不同的观点有多种分法。按工作状态可分为甲、乙、 丙类，以及甲乙类等。 按其本身特点分类，可分为低噪声放大器，宽带功率放大器，功率 放大器。 低噪声放大器：通常用于接收系统的前端，前级噪声系数 对整机噪声系数有很大影响，因此，此类放大器噪声系数很小， 它也因此得名。 宽带放大器：特点是其宽带特性，即在较宽的频带内做信 号放大。 功率放大器：通常指大功率放大器，对线性有高要求的也 可称为线性功率放大器。 皇王扯基太堂堂僮迨塞 2 = 3 q 丛宣堂盍功奎放左墨曲班塞量塞班 图1 1 如图1 1 所示，各工作状态的定义区别在于静态工作点的选取。表 1 1 给出了部分工作状态的性能比较。 类别导通角( 度)工作点电流理论极限效实际工作效 益 田 1 8 0 0 5 l 。 5 0 3 0 一4 0 乙9 0 o 0 5 。 7 8 5 4 0 一5 5 丙 9 0 8 5 9 0 1 3 研制难点和未来趋势 表1 1 功率放大器研制的一大难点是线性度的提高，高线性放大器是功率 放大器发展的一大明显趋势。 目前，针对提高线性指标的研究，已成为热点。出现了许多先进的 技术，和新颖的方案。比较传统的功率回退法，由于其效率低下已不能 满足要求。失真反馈技术，预失真技术，前馈技术等一批新电路解决方 案的研究已取得了一定进展。可以预见，未来的线性放大器会兼有高效 率，高线性，宽带特性等优点。 另一难点是具有超宽带特性放大器的研制。关于这种放大器的相关 技术在本论文中结合工程项目的硬件实现，将给予详细的研究和介绍。 曳王科技友堂堂童监童一 2 = 笾丛h ；宽萤盍功室放太超的珏宣量塞班 第二章功放设计概述 2 ，1 功率放大管主要指标 工作频带宽度： 宽带放大器的频带宽度，通常用倍频程，做单位。 例如，频率为l 1 6 g h z 的工作频带，称为4 个倍频程。 增益平坦度： 频带内最高增益和最低增益的分贝数之差。定义为 增益平坦度。 z k g ：岛坚二皇皿f 如、 功率增益： 指输入、输出端口良好匹配的情况下，输出功率与 输入功率的比值。单位常用d b 。功率增益的定义为： 燃爿。l g 燃c m ) 集电极效率： ， “只。+ 岛 其中p o 。为交流输出功率，只为消耗在集电极上的 功率。 驻波比v s w r ： 为了量化失配度，引入驻波比( s w r ) ，s w r 是最大电 压( 电流) 与最小电压( 电流) 之比。 s 腑( d ) = 业l - i v 倒( a ) 其中r ( d ) = f 。e j 2 彤 饱和输出功率( 毛，) 器件最大的输出功率。当输入功率增加到一定程 度，输出功率不再增加，甚至略有下降。这个功率就是 饱和输出功率，通常这个功率大约比线性增益低5 d b 。 关于线性指标将在后面有关章节中予以介绍。 2 。2 微波三极管功率放大器的设计 射频功率放大器设计需要考虑一些特殊因素。输入、输出匹配电路 需要精心设计、调试，以便降低电压驻波比、避免寄生振荡。为了工作 稳定，稳定性分析通常被作为射频放大器设计的第一步。稳定性分析以 及增益圆、噪声系数圆都是放大器设计所要考虑的基本要素。依据这些 要素才能设计出符台增益、增益平坦度、输出功率、带宽，等要求的放大 器。 旦王型挂盍堂堂僮监塞 2 = q 丛型；宽董太功室邀盔攫的婴究曼塞理 为了系统的了解放大器的设计过程，首先需要针对各种功率关系确 定一些定义。 2 2 1 放大器功率关系 射频源 放大器的增益有很多种定义，电路系统可简化为图( 2 2 1 ) 所示电 路。做功率分析的起点是与放大器网络相连的射频信号源。 ( a ) 系统框图 7 | r s 。 信号源电压： = 6 ：一d r s = b i ( 1 一r 。r s ) 对应于反的入射功率波为 耻：丢c ( b ) 信号流图 图2 2 1 这就是放大器的入射功率。放大器输入端1 ：3 的实际输入功率为入射 功率波与反射功率波之差。引入输入反射系数则可得 蚓丽 曳王型技态堂堂焦论塞2 二笾嗵鲢! 宽堂走功奎逮盔登的硒窒皇塞现 舻础剖2 ) = 圭( 尚) 2 ( 如果放大器输入阻抗与源的内阻符合共轭匹配条件z i = z s 即 f ，。= f 。+ ，则信号源和放大器之间有最大的功率传输。 在最大功率传输条件下，定义，资用功率只： 只哦k = 圭揣 z a ， 这表明只与l 有关。如果r m = 。而f s e 0 ，可见。：譬 转换功率增益 转换功率增益定量的描述了插入在信号源与负载之间的放大器增 益。 g ：堑塾里些堕婴皇：墨 ，百雨丽丽弼军2 百 根据咒2 吉1 6 2 1 2 ( 1 一f z | 2 ) 有： g 寺肄”h h ”h ) 其中还需要求出。据信号流图可得 6 1 ：墨! 鱼 2 1 一岛2 f 以= 卜。+ 嚣几卜 由此求得，待求比值为： = 雨两两i 而 最后得： ( 1 一叫2 ) 丛! 二刚：! g r 2 矿而丽葛i i 瓦r 。1 2 ( 2 2 6 a ) )8 0 d置 ， ( 史i 型茧盔璺堂焦型i 奎一2 二3 q 凹臼z 宝鲞盘功壅邀去器的班究与塞现 定义输入输出反射系数后，此式子可以进一步简化为。 r 。= s ，+ 两s 2 z s i i 2 f l r 。一$ 2 2 - t 。s 一2 1 s l z f i s 根据这两个定义式，可再导出两个转换功率增益表达式( 2 2 9 a ) 带入 ( 2 2 8 ) q = f 1 藏2 鬻2 2 1 i l r s r 。1 21 1 一是2 r 。f 将( 2 2 9 b ) 带入( 2 2 8 ) 得： 岛= 普l - i 豁1 。 l。r o 卜s 。r ，1 2 常用到的转换功率增益近似表达式是所谓单向化功率增益g 。，单向 化功率增益忽略了放大器反馈效应的影响( s ，= 0 ) 。引入单向化功率增 益概念后，( 2 2 1 1 ) 简化为： = 黹群 z 嘞在概念上由三部分组成： = 呸舯g 口= 1 吼g = 岛，瓯= 尚 g 。是晶体管插入增益，呸和g 工分别是与输入输出匹配网络有关的增 益分量。( 2 2 i2 ) , g - 被用来作为放大器及其输入输出匹配网络设计的基 础。关于单向化设计的内容，在下面的增益圆推导中再予讨论。 其它功率关系 转换功率增益的表达式是导出其他重要功率关系的基础。 “资用功率”增益的定义是： ，。i 放大器资用功率 吒2 听i r 上= ，2 1 蓊丽丽隔 利用( 2 2 1 1 ) 则为 ) ) 2 2 电王抖技盔堂堂僮监塞2 = 地凹h ；宽董太功奎趑太墨的硒峦当塞现 嘭2 盘辩等 功率增益的定义是： g ：墨翼娶墼：墨：墨曼：q 互 。放大器输入功率只只毛1 只 利用( 2 2 1 0 ) 和前的( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 可得： g ：蚓垡坚已 2 2 2 稳定性判定 射频电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的趋势，因此稳 定性判别显得尤为重要。 将放大器视为一两端口网络，该网络由s 参数及外部终端条件r ：和r 。确 定。稳定性意味着反射系数的模小于1 。即： l f 小：l ，l f s i 1 ( 2 2 15 a ) l i = 1 湍i t r 。，l -医二垦垒i - 即稳定性判定圆，必须完全落在单位圆i f 。i = 1 和i f 。i = 1 2 _ 外。绝对稳定条件 ( 2 2 2 3 ) 可以用稳定性因子k ( r 0 1 l e t t 因子) 描述： 如簧2 i s , “ 2 怜1 l 该因子对输入输出端e l 都适用，在绝对稳定的条件下，通常h 1 同 时成立。 放大器豹稳定措施 如果晶体管处于非稳定状态，则应当采取适当的措施使之进入稳定 状态。己知l f 。埘i 1 和l r 。i 1 可以改用输入、输出阻抗表达： i r o o , 吲乙z o u t + 一z z 。i l 和叫2 l z m z m + - z d z o l l 这表明非稳定状态有r e 乙 o 和r e z 。) 0 。所以，稳定有源器件 的一个方法就是在其不稳定的端口增加一个串联或并联的电阻。这个电 阻必须与源阻抗或者负载阻抗一起抵消掉船 乙) 或r e z o 。 中的负阻抗 成分。 通常由于晶体管输入、输出端口之间的耦台效应，只需要稳定一个 端口。具体稳定哪个端口取决于设计者。然而，如果考虑到噪声效应则 应该尽量避免在输入端口引入电阻元件，因为这样会附加热噪声，恶化 噪声系数。 单向化设计法 除了保证稳定外，获得预定的功率增益也是放大器设计中一项需要 考虑的重要内容。如果忽略晶体管自身反馈的影响( s ：“0 ) ，实际情况 中经常这样处理。 盼雀群群 g r u ( d b ) = 岛( 招) + g 。( 扭) + g l ( d b ) 其中g 。是晶体管插入增益，呸和吼分别是与输入输出匹配网络有关的增 益分量。如果l s 。l 和l 岛：i 都小于1 ，且输入输出端口都匹配( 即有 l = 晶r = ：) 则有最大单向化增益一，此时可得： 9 垦土抖拉太堂堂僮论童 2 = 3 q 丛旦z 宽董塞功空邀盍墨曲班究生塞班 吣2 击 5 击 g s 和瓯的贡献都可以用它们的最大值来归一化 g s 岛2 2 g ， g z 2 石“ 黼旷1 2 ) 1 = 禹”瞄闰 虽然有了输入输出匹配网络的增益表达式，但并不能直接确定恒定 增益的条件。关键要解决的问题是，对于给定的s 。( 或岛：) 以及要求的归 一化增益g s ( 或g 。) ，r s 取什么样的值才可以得到预定的增益。这需要从 一般式： 蜀= 禹”i 甜i ) 中求得反射系数f ，。其中i i = 1 1 ，2 2 对应于i = s ，l 。 从( 2 2 3 0 ) 入手，现将其整理为： g ，( 1 + i 墨，r ；1 2 一$ r ；一s ，r ；) = 1 1 s ；1 2 一l r 。1 2 + 1 s 。1 2 | r ，1 2 i t , 1 2 一了彘r 。一蔫r 。+ + 稿= 端 此复数方程描述的是一个圆 ( r ；一d g , ) ( r ；一吒) = - r 。2 ， ( 2 - 2 - 3 2 ) 其圆心坐标为： 以：i 卸1 一i s i f 一) 圆半径为 ，一再( 1 一i s , f ) 一i 丽百石 鱼王狲攮盔堂堂僮论塞 2 = 3 q 丛h ；宽董太功室丝盍矍的班宜生塞丑 整理表达为熟悉的圆方程形式： ( r ? 一d 。r ) 2 + ( 1 1 卜) 2 = 嗜 ( 2 2 3 3 ) 根据等增益圆方程，可以得到以下结论： ( i ) 在f ，= 的条件下，即圆心为畋= ，半径为气= 0 的增益 圆，可得最大增益g t= 上 ”( 1 一蚓2 ) ( 2 ) 所有等增益圆的圆心都落在原点到的连线上。增益值越 小，圆心0 越靠近原点，同时半径名越大。 当f i = 0 和d g i 相等都等于恻2 ) 。这表明g t = 1 ( 即蚴) 圆总是和r 平面的原点相切。 等驻波比圆 在某些场合，对放大器输入输出端口的驻波比有特定要求。该指标 通常为1 5 s v s w r s 2 5 匹配网络设计的主要目的是要在晶体管端口降低驻波比。而输入端口的 驻波比( v s 瓣。) 由输入匹配网络( 皿) 确定，而该网络又受到有源器件的 影响以及由反馈效应带来的输出匹配网络( 删) 的影响。反过来，输出 端口的驻波比( 坯孵。) 既取决于输出端口的匹配网络，又与输入端口匹 配网络有关 “电压驻波比”表达式： v s w r i 。= 耳l + l r 习l 和厢= 耳l + j r 习o l 先求1 1 。，输入功率己可以表示为“资用功率”只的函数 r = 巴( 1 一l r 删b 假定匹配网络是无损耗的，那么有源器件输入端口所得到的功率， 与无匹配网络时情况相同。 昂= 只 ! ! 二叫堑二喇：! 1 1 - f 。f 。i 令两式相等，可以解出i r 。i ，得到 r 删l = n嚼_(1-ifsl2)(1-ff，l2)邛f也,-f叫s=|糍l 虫王整茧态堂芏僮论塞 2 = 3 q 丛生整堂盍功奎越盘整曲壁宜皇塞现 该方程可以变换为以f 。为自变量的圆方程，喀赫其圆心，在半 径为m i ( r f 一r ) 2 + ( r ；一) 2 = 屯 肌吨+ 吮= 舞爵 峨= 器掣 此处屯。和的下标纠表示输入网络端1 ：3 的“电压驻波比”。 同样的方法可以推导输出端口的“驻波比”方程 ( r 一吃。) 2 + ( r ：一) 2 = 舢：珏叱+ = 酱 半径：。2 ( 1 ) 对于“电压驻波比”的极小值( 输入端口v s w r i = l ，i r 。i = o 输出端口塔溉= 1 ，i r 。i = o ) ，两圆心坐标为叱i 。i ：。= r ：( 对 于输入端口) 以及叱l f 。印= r 2 ( 对于输出端口) 两圆半径同时都 为零。 ( 2 ) 所有“等驻波比圆”的圆心都落在原点到r ：( 输入) 或r 乞 ( 输出) 的连线上。 到目前为止，讨论的都是基于线性、小信号s 参量的放大器设计。 当涉及到大功率放大器时，由于放大器工作在非线性区，所以小信号近 似通常将失效，后文将详细讨论大功率情况下设计参数的量化方法。 应用于小信号s 参量的设计方法，仍然适用于大信号功率放大器的 设计，只是大信号时参数量化不同。 曳王科技盍堂堂焦迨塞 2 = 3 q 丛旦；宽堂盍功奎趣盔整数硒窥董塞丑 2 3 大功率器件参数的量化和分析 首先需要说明，设计一个大功率功率放大器和设计一个高增益小信 号放大器是不同的。原因如下： 三极管工作在非线性区( 靠近或者已经达到饱和的功率水平) 设计参数不同 因此我们不能应用小信号s 参数来设计高功率放大器。然而，可以利用s 参数来预计稳定性和分析封装的寄生参量值。那么大信号参数的定义是 什么，它在工程中是如何得到的呢? 目前有3 种分析大功率器件参数的 技术，这一节对它们做简要介绍。 2 3 1 定义 小信号s 参数在低功率线性放大器设计中得到了广泛的应用。但在 大信号功放设计中却不能满足要求。不少文献关于这个问题做过研究讨 论，比如：研究大信号s 参数；应用小信号s 参数分析稳定性等等。但 由于种种原因，这些理论并未得到广泛承认和应用。广泛被应用于r f 功 率放大器设计的依然是大信号阻抗。 小信号s 参数 小信号s 参数已经为很多人所熟悉，它通常在宽频带范围内，固定 集电极偏置条件下，很容易得到。现代的“网络分析仪”让这一测试越 发准确和简化，从而使得小信号r f 放大器的设计更加系统化和简单化。 用于分析和优化宽带放大器从而保证其稳定运行的软件已经发展成熟。 这使得设计方法得到了长足的进步。 然而当设计者进入高功率r f 领域，马上会遇到几种器件参数分析方 法问题。 首先得理解所谓“高功率”的含义，通常这一概念是指1 w 至几百w 这一大致范围。在这一功率水平，小信号s 参数不再能用于确定源和负 载反射系数，更不用说增益和稳定性圆或者单向化设计等等。这是因为 射频功率放大器早已不再是线性的。s 参数，只是对于那些运行在小信号 线性条件下的器件才能得到的。这样的参数在高功率的情况下应用很有 限。f r o s t ， 2 在1 a r g es i g n a ls p a r a m e t e r sh e l pa n a l y z es t a b i l i t y 中对s 参数的应用算是一个特例。h e j h a l l ， 3 在s m a l l s ig n a l d a r a m e t e r sa i df e tp o w e ra m pd e s i g n 中对此也有阐述。 大信号s 参数 简单的说，在大信号时应用网络分析仪来测量s 参数。得到的结果 就是所谓的大信号s 参数，据报道已有人成功的测量并应用了这样的参 数 4 ， 5 。但是输出功率超过几瓦特的情况，并没有成功应用的例子。 输出超过几瓦的器件，所要求的驱动功率电平远超过一般标准网络 分析仪所能提供的范围。另外测试大信号s 参数对网络分析仪是非常危 垒王科技友堂堂焦丝塞 2 = 3 q 丛臼z 宜董太功室越太整的硒宜生塞现 险的。 l o a d - p u l l 技术 还有一种参数分析技术就是“l o a d p u l l ”这种技术可以得到许多指 标的图形化表示。比如增益，效率，或“交调系数”与源( 或负载) 阻 抗对比的图表。这项技术是随着计算机的普及和自动化测试系统的发展 而广泛应用起来的，特别适用于较高功率的器件。 l o a d p u l l 参数量化的过程，在概念上是很简单的。一系列变化的负 载阻抗被接在被测器件输出端，它相应的运行情况在每一个点被测量后， 数据提供给所谓的界面产生程序。就得到了图形化的指标数据。这些图 表通常转化为“s m i t h 圆图”上的曲线图。这样设计者就能够方便的在圆 图上完成设计。图3 2 1 给出了1 0 a d p u l l 测试原理框图，图为双音信 号测试，直流偏置通过b t 调节，输入、输出匹配网络也可调节变化。输 入双音信号功率通过耦合，用功率计测量。输出信号用频谱仪测试纪录。 图3 2 11 0 a d p u l l 测试原理框图 测量所得l o a d - f u l l 数据只是在被测试的特定运行条件下才有用， 比如为了构成功率增益和效率曲线。大量的负载阻抗点必须被提供给器 件输出端。一旦改变偏置条件，这一过程又得重复来过。没有合适的装 备，这一测试过程无疑是枯燥、费时的，并且易于出错。现在有了自动 调节的测试系统，这一过程不再像以前的方法那样花时间，并且计算机 软件能够用来处理数据画出图表。对于功率器件必须有相应的测试夹具， 通常夹具附有一定程度的匹配网络。图2 3 2 是1 0 a d p u l l 的测试平台 照片。 如果整个频带内的数据都能得到，那么在恒定增益圆上选取一个低 虫三；e 越越态堂堂焦论窑 2 = q 丛生蕴董去功奎越太墨的班窥与塞丑 频负载线阻抗，从而补偿三极管在低频段的高增益。这样就能够对平坦 性和最优效率做优化而得到最好的增益频率响应。现代的网络设计程序， 比如“$ u p e r c o m p a c t ”和“t o u c h s t o n e ”能够对这种增益和效率间的折 衷做评估，并给出解决方案。 图3 2 21 0 a d p u i l 的测试平台 大信号串联等效阻抗 经典的大功率器件参数分析技术是大信号串联等效输入和输出阻 抗。通常匹配好的输出阻抗是和最优的负载阻抗，共轭匹配的，而这个 最优的负载阻抗是在给定输出功率、频率，电压条件下选取的。( r n ，的 选取，见后文介绍) 这种情况需要仔细的考虑，特别是“输出阻抗”这个概念有些容易 混淆。涉及大功率器件，“输出阻抗”这个概念有两点需要了解。 ( 1 ) 所谓的“输出阻抗”和小信号& ，没有关系。它是在基频共轭匹 配于负载阻抗的一个阻值。关于负载阻抗的选取在后文有论述。 ( 2 ) 器件厂商提供的参数只是在特定条件下得到的。诸如，频率、 馈电、输入输出功率、偏置、谐波负载，温度都会改变“输出阻抗”的 值。 厂商提供的器件输出阻抗，在设计时通常为负载阻抗的共轭匹配值。 而这个负载阻抗是在给定了输出功率的情况下，呈现最大增益时选取的 最优负载。 假如设计目标不是最大增益，而是最大效率。那么从l o a d p u l l 得到的 曲线可以看出，使器件得到最大增益和最大效率的基频负载阻抗是不同 的。可见器件提供的参数只是作参考的大概值。而输入阻抗也是负载阻 抗的函数，对较高功率的器件来说，输入阻抗受负载的影响比小功率时 更大，更明显。在宽带功放设计中，很难在燕个频段获得很好的匹配。 电王抖拉丕堂堂焦趁塞至q 凹基；宽董盍功奎越塞墨鲢研究生塞丑 在输入或输出故意引入“失配”， 那么负载阻抗如，该如何选取呢? 负载线匹配 以获得平坦的增益响应是常用的方法。 这就涉及所谓的“负载线匹配”。 当负载的阻抗和源阻抗共轭相等时，源能够提供给负载最大功率值。 这是个基本概念，但在实际应用中往往难以实现。晶体管的电压、电流 有自己的极限值，超过了会毁坏器件。当理想信号源被实际器件代替时， 输出到负载上的电流受限，导致输出功率远小于期望值。负载线匹配的 概念正是基于充分利用晶体管最大的电流电压波动的考虑，选择合适的 负载阻抗值。假设信号源内阻远大于如，则可定义为 r o e r = 导 1 m “ 考虑信号源内阻时，式子改写为 ( + r ) ( r ) = 。i 。 在工程设计中一般取 r o p t = v d c i d c = 2 v d c i m a x ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 综上所述，共轭匹配和负载线匹配都是基础性的结论，呈现诸多矛 盾之处。基本的共轭匹配理论只使用于信号源电压、电流没有物理限制 的情况。而负载线匹配是更现实的方法。它是一种考虑到器件安全性和 直流供电限制，从而更实际的匹配方法。 2 4 功放电路结构 功率放大器的电路结构对性能有比较大的影响，应据要求的性能指 标、成本以及尺寸等因素做合适的选取，确定电路方案。 单管结构 功率放大器只用一支三极管，这种结构是最简单的电路构成。整个 电路只有输入、输出匹配电路和直流偏置电路以及三极管本身。同下文 的平衡结构相比，由于没有耦合器引入的损耗，放大器的噪声系数小。 最小的级间耦合损耗，也意味着单管结构的增益比平衡结构高。电路框 图，如图2 4 1 所示 整士型基鑫堂堂遣逾塞 2 = q 丛醴! 宣篮太功奎趣太墨趁班究生塞堡 厂i n p u tm 懿涌酗信u l p u tm 稳t 洲雠、 n e t w o r k f n固 露罗瞻 图2 4 1 单管结构 平衡结构 在设计功率放大器时，为了改善功率平坦、电路稳定及输出功率等 指标。功率放大器不可能完全匹配。为了改善功率放大器的匹配性能， 通常采用平衡功率放大器平衡结构如图2 4 2 所示，它由3 d b9 0 。“移相 分配网络”、含两个单管放大器的功率放大电路以及3 d b 9 0 “移相合成网 络”组成。两个3 d b9 0 0 “移相网络”，可以采用交叉指定向耦合器，或 w i l k i n s o n 功率分配、合成网络并附加一段9 0 0 “移相传输线”。3 d b 9 0 “移 相网络”，改善了输入输出端口的匹配情况。 o a d ， 。钠k 二 o h m 矽矿 ir fp o w 钟醐举阴e r i d u 驹o 。mkl 。矿 图2 4 2 平衡结构 平衡放大器有很多优点： ( 1 )设计平衡功率放大器时，只要保证配对功率晶体管性能一 致，则合成网络可以改善由单管引起的失配。因此，在实现平坦功 率增益和稳定性的同时，又有较好的匹配特性，通常可实现带宽1 至2 个倍频程。 ( 2 )不需要额外的5 0 f 2 匹配电路。 ( 3 )匹配性能好，反射小，因此工作稳定。( 失配功率被负载吸 收) 亟壬抖挂盔堂堂焦诠童 2 = 垫丛生宽堂盍功奎越盔箍的班宜与塞班 ( 4 ) 当其中一支晶体管损坏时，总增益仅仅下降6 d b ，对某些系 统，这种增益下降还不至于受致命打击。 ( 5 ) 线性指标好。功率放大器的动态范围和v s w r 指标比单管结 构好很多。“三阶交调点”比单管结构高3 d b 。 显然，这种结构成本高，是其缺点。 并联结构( 功率合成) 当需要大功率输出时，通常的做法是：将多支晶体管并联应用，再 合成其输出。如图2 4 3 所示 i n l ：, m 删e l l l f l go u t p u tr n a t c h t n g n 目r kn 0 h 腓 图2 4 3 功率合成 该结构的特点是； ( 1 )需要额外的匹配电路，例如5 0 q 到2 5 q 的匹配。 ( 2 )需要配对的晶体管 ( 3 )功率加倍。 推挽结构 1 产生大功率的另一个方法就是“推挽放大器”，比较上文所述的功率 合成，“推挽放大器”有其优点和缺点 优点： ( 1 )在一支管子损坏的情况下，另一支管子的工作状态是安全 的。并不会因此而工作不稳。 ( 2 )“推挽结构”抵消了三极管非线性成分中的偶次谐波。杂 散抑制度高。 ( 3 )增益高3 d b ( 4 )不需要额外的匹配电路 缺点： ( 1 )需要配对的两支三极管。 ( 2 )需要输入、输出巴仑( b a l ur 1 ) ，电路复杂性增加。 曳士挝撞态堂堂焦迨塞 2 = 3 q 凹h z 宽董太功奎趑太整殴班窥妄塞丑 其结构如图2 4 。4 所示 i n p u tm a t c h i n g o u t p u tm a t c h i n g n e t w o r k n e t w o r k 图2 4 4 推挽结构 关于巴仑的电路设计在传输线变压器中有详细介绍。 8 a l u n 电王抖撞盍堂堂焦论毫 2 = 3 q 丛蔓；童萤太功壅丝盘墨的班究兰塞现 3 1 匹配技术 第三章功放设计要点及理论分析 设计功率放大器时，匹配电路的设计需要花费的时间最多。也可以 说是设计中的要点。功率放大器的匹配电路的设计十分重要，匹配电路 变化，反射系数、放大器的驻波、增益、输出功率、功率附加效率都有 很大的不同。同时不仅匹配电路的基频反射系数影响功率放大器的性能， 匹配的谐波反射系数对电路的性能也有很大的影响，尤其是在饱和输出 功率和输出功率附加效率上表现出来。 在分析匹配网络的构成之前，首先得明确一点。 夺什么是好的匹配网络? 在很多情况下，驻波比s w r 4 时，这种减小并不明显。在衰减a 和带宽给定条件下，n 越大，则 带内起伏越小，衰减确定，则n 越大，频带越宽。 匹配网络的综合方法较多。虽然它们具有高通，低通或带通，但不 要把它们仅仅看作滤波器，它们的主要作用是，使阻抗之间匹配。进一 步的，如果某个终端有电抗元件，可将它做为匹配网络的一部分处理， 前提是：其值不能太大。一定应用下，选择匹配网络应具有可实现的元 件值。 需要注意的是在较高频段的应用中，分立器件的寄生参数影响明显， 因此在g h z 频段匹配网络由微带线构成或者和分立器件混合构成。其设 计过程基本一致。 3 2 宽带传输线变压器的设计 在宽带功率放大器的设计中，上节所述宽带匹配网络的选取、优化 固然有其作用，但还有一项更为重要的部件一宽带传输线变压器 堆鼙揽攮 皇王抖煎态堂堂僮论塞2 二3 q 丛h ；童堂太功奎趣太墨的班究皇塞强 传输线变压器是一种较理想的高频宽带耦合及匹配元件，由于它采 用传输线作为绕组，较合理地将分布电容、线圈寄生电感加以利用或限 制，使响应频带得到很大的展宽，解决了传统变压器难于解决的问题。 目前，它的使用频率已经超过1 g h ：，成为高频和微波低频端的一种极为 有用的耦合装置，广泛地用于阻抗变换，单端一平衡转换，功率的合成 和分配等目的，成为放大器级间耦合，混频，调制，“鉴频、鉴相”，射 频高速开关，功率合成技术等方面的重要工具。 在工程实践中，作者曾做过比较，依靠改变匹配网络结构的方式， 得到的宽带匹配效果，远不及使用传输线变压器明显。在实验中，即使 是上文推导的3 、4 元件匹配网络，在宽带应用时对增益、频率响应的优 化仍然不理想。但传输线变压器则彻底的提高了整个频带内的增益。这 一节的主要内容是：宽带功率传输线变压器的设计。 传输线变压器设计考虑的因素： 能够承受的最大功率值 适用的频率范围 输入输出阻抗 可容忍的反射功率和损耗大小 在设计中通过分析，磁环和传输线的影响以及使用补偿技术，来完 成上述相关指标。 3 2 1 磁环对性能的影响 等效电感 磁环的影响可以用其等效的电感来反应， 段的反射量大小，它可以用下式计算： l = a l o a z , n 2 彤 等效电感确定了较低频率 其中三是电感，单位( h ) = 4 ，r t o 。， 为相对导磁率， a“镍铁磁环”面积( 埘2 ) ， i 平均电长度 ( m ) n 为线圈绕线圈数 如果要避免频带高端指标的恶化，那么电感l 值不能大于实际需要 值。以下是个经验公式 ，：4 羔 ( 3 2 2 ) & ) m 。 r为中频带的输入阻抗，单位q c o m i 。为最小角频率 鱼王猎披盍堂堂撞论塞至二皇鱼凹h l 童堂太功至越友墨曲窥生塞丑 传输线变压器是一种较理想的高频宽带耦合及匹配元件，由于它采 用传输线作为绕组，较合理地将分布电容、线圈寄生电感加以利用或限 制，使响应频带得到很大的展宽，解决了传统变压器难于解决的问题。 目前，它的使用频率已经超过1 g h z ，成为高频和微波低频端的一种极为 有用的耦合装置，广泛地用于阻抗变换，单端一平衡转换，功率的合成 和分配等目的，成为放大器级间耦合，混频，调制，“鉴频、鉴相”，射 频高速开关，功率合成技术等方面的重要工具。 在工程实践中，作者曾做过比较，依靠改变匹配网络结构的方式， 得到的宽带匹配效果，远不及使用传输线变压器明显。在实验中，即使 是l 文推导的3 、4 元件匹配网络，在宽带应用时