（电路与系统专业论文）3way+doherty高效功率放大器研究.pdf

摘要 摘要 功率放大器作为现代无线通信系统中最重要的部件之一，受到越来越广泛地 关注。以w c d m a 为代表的第三代移动通信技术以及正处在研究阶段的第四代移 动通信技术都采用了线性调制方式来提高频谱的利用率。线性调制方式对功率放 大器的线性度提出了很高的要求。为了满足系统对线性度的要求，功率放大器需 要工作在回退状态，而传统的a 类或a b 类功率放大器在功率回退时的效率比较 低。功率放大器作为最大的耗能元件之一，其效率的高低直接决定了系统运行的 成本和可靠性。因此，必须在满足系统对线性度要求的前提下提高功率放大器的 效率。d o h c r t t 功率放大器技术具有结构简单、易实现和成本低的优点，成为了目 前应用最为广泛的一种效率增强技术。 本文的主要目的是研究3 - w a yd o h e r t y 功率放大器技术的优势和不足( 与两级 d o h v r t y 功率放大器相比) 。重点是利用负载牵引法并结合仿真软件和功率管模型 对m a i n 、p e a k l 和p e a k 2 功率放大器的匹配电路的设计与仿真以及3 - w a yd o h e r t y 功率放大器的整体仿真进行了详细的研究，同时，对设计中存在的一些问题提出 了改进的方法。最终对实际电路进行了调试和测试，并与两级d o h e r t y 功率放大器 作了对比。 本文内容共分为七个章节。第一章为引言。第二章介绍了功率放大器的主要 技术指标和基本工作类别。第三章对功率放大器的匹配电路进行了简单的介绍。 第四章详细分析和推导了3 - w a yd o h e r t y 功率放大器的工作原理。第五章对3 - w a y d o h c r t y 功率放大器的设计与仿真步骤进行了详细的说明，并提出了一些改进的方 法。第六章列出了实际电路的测试结果并作了一些对比。第七章对全文进行了总 结。 关键词：功率放大器，3 - w a yd o h e r t y ，宽带码分多址，漏极效率，邻信道功率比 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e ra m p l i f i e r s a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si nm o d e r nw h e l e 鹧 c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a r es u b j e c tt om o r ea n dm o r ew i d e s p r e a dc o n c e r n 1 1 1 et h i r d g e n e r a t i o n ( 3 g ) ，s u c h a sw c d m a , a n dt h eu p c o m i n gf o u r t hg e n e r a t i o n ( 4 g ) c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sb o t hm a k eu s eo ft h el i n e a rm o d u l a t i o ns c h e m e st oi m p r o v e t h es p e c t r u mu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y t h e s em o d u l a t i o ns c h e m e sp o s es t r i n g e n td e m a n d s t ot h el i n e a r i t yo ft h ep o w e r a m p l i f i e r s i no r d e rt om e e tt h el i n e a r i t yr e q u i r e m e n t so ft h e s y s t e m , p o w e ra m p l i f i e r sn e e dt of u n c t i o nm o s to ft h e i rt i m em u c hl o w e rl e v e l st h a nt h e p e a kp o w e r st h e ya r ed e s i g n e df o r , w h i c hi sc a l l e dp o w e rb a c k - o f f c o n s e q u e n t l y , t h e t r a d i t i o n a lc l a s s - ao rc l a s s - a ba m p l i f i e r sa r el e s sa t t r a c t i v es i n c et h e i re f f i c i e n c ya r e s e r i o u s l yd e g r a d e dw h e no p e r a t i n gt h e mb e l o wt h ep e a kp o w e r a so n eo ft h el a r g e s t e n e r g y - c o n s u m i n gc o m p o n e n t s ，t h ee f f i c i e n c yl e v e lo ft h ep o w e ra m p l i f i e rd i r e c t l y d e t e r m i n e st h eo p e r a t i o nc o s ta n dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h u s ，t h e r ei si n c r e a s e d i n t e r e s ti n h i g h - e f f i c i e n c yp o w e ra m p l i f i e rt e c h n i q u e s v a r i o u sp o w e ra m p l i f i e r a r c h i t e c t u r e sw i t hi m p r o v e de f f i c i e n c yh a v eb e e np r o p o s e do v e rt i m e d o h e r t yp o w e r a m p l i f i e rt e c h n o l o g y ，w h i c hi ss i m p l ei ns t r u c t u r ea n de a s yt oi m p l e m e n t a t i o na n dh a s l o wc o s t ，h a sb e c o m et h em o s tw i d e l yu s e de f f i c i e n c y - e n h a n c e m e n tt e c h n i q u e n l em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h et h r e e - w a yd o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r ( c o m p a r e d 、析n lt h et w o - w a yd o h e r t yp o w e r a m p l i f i e r ) w em a d eu s eo ft h el o a d p u l lt e c h n i q u e ，i nc o m b i n a t i o nw i t ht h es i m u l a t i o n s o f t w a r ea n dt h em o d e lo ft h ep o w e ra m p l i f i e r s ，t os t u d yt h em a t c h i n gc i r c u i t s d e s i g n i n ga n ds i m u l a t i o n so ft h em a i n , p e a k la n dp e a k 2p o w e ra m p l i f i e r s ，a sw e l la s t h es i m u l a t i o no ft h et h r e e w a yd o h e r t ya m p l i f i e ri nd e t a i l b e s i d e s ，w ep u tf o r w a r d s o m ei m p r o v e dm e t h o d st o o p t i m i z et h ed e s i g n f i n a l l y , w ei m p l e m e n t e da c o r r e s p o n d i n gp r a c t i c a lc i r c u i tf o rd e b u g g i n ga n dt e s t i n ga n dm a d es o m ec o m p a r i s o n s w i t ht h et w o - w a yd o h e r t yp o w e ra m p l i f i e r t h ep a p e ri sd i v i d e di n t os e v e nc h a p t e r s i nc h a p t e r1 ，w em a d eab r i e f i n t r o d u c t i o n i nc h a p t e r2 ，w ei n t r o d u c e dt h ep a r a m e t e r sa n dt h eb a s i co p e r a t i o n c l a s s i f i c a t i o n so ft h ep o w e ra m p l i f i e r i nc h a p t e r3 ，t h em a t c h i n gc i r c u i to ft h ep o w e r i t a b s t r a c t a m p l i f i e rw a si n t r o d u c e d i nc h a p t e r4 ，w ea n a l y z e dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n d d e d u c e ds o m ef o r m u l a t i o n so f t h et h r e e - w a yd o h e r t yp o w e r a m p l i f i e r i nc h a p t e r5 ，w e d e s c r i b e dt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o ns t e p so ft h et h r e e - w a yd o h e r t yp o w e ra m p l i f i e ra n d p u tf o r w a r ds o m em e t h o d st oi m p r o v et h ed e s i g n i nc h a p t e r6 ，w el i s t e dt h et e s tr e s u l t s o ft h et h r e e - w a yd o h e r t yp o w e ra m p l i f i e ra n dm a d es o m ec o m p a r i s o n s i nc h a p t e r7 ， w em a d ea s u m m a r yo ft h ep a p o r k e y w o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r , t h r e e - w a yd o h e r t y , w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( w c d m a ) ，d r a i ne f f i c i e n c y , a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o ( a c p r ) 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：盘盗鲨日期：w 年午月f 罗日 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：重渔童导师签名： 日期：伽口1 年年月眵日 第一章引言 第一章引言 作为发射机中最重要的部件之一，射频与微波功率放大器的线性度和效率直 接决定了系统的性能。在线性方面，既要求发射信号的失真要尽可能的小，又要 求发射信号对邻信道产生的干扰要尽可能的少【l 】。在满足线性指标要求的前提下， 要尽可能的提高发射机的效率。 对于现代无线通信系统而言，宽带、多载波和高传输速率是其发展的方向。 随着频谱资源的日益紧张，为了在最小的带宽内最快的传递数据( 提高频谱利用 率) ，在c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a 和o f d m 等系统中，普遍采用了b p s k ，q p s k 或q a m 等线性调制方式。 表1 - 1 典型的线性调制方式信号的峰均比【2 1 m o d u l a t i o ns c h e m e p a r 【d b 】 b p s k3 2 8 q p s k 2 8 9 4 q p s k 3 0 5 8 p s k4 6 5 1 6 q a m 6 4 8 采用线性调制方式的信号都具有一定的峰均比( p a r , p e t k - t o - a v e r a g er a t i o ， 一组典型的线性调制方式信号的峰均比如表1 1 所示) 。当发射信号具有一定的峰 均比时，功率放大器需要通过功率回退的方式来满足系统对线性度的要求。功率 放大器的功率回退会导致其效率的降低，进而引起系统功耗的增加、散热成本的 增加以及可靠性的降低。虽然可以通过削波技术( c f r 。c r e s tf a c t o rr e d u c t i o n ) 和 数字预失真技术( d p d ，d i g i t a lp r c d i s t o r t i o n ) 在定程度上减小功率放大器功率 回退的幅度，但是对于偏置在a 类或a b 类状态下的功率放大器而言，其效果并 不明显。因此，高效功率放大器技术成为现在研究的热点。 传统的效率增强技术包括e e r ( e n v e l o p ee l i m i n a t i o na n dr e s t o r a t i o n ) 技术， e t ( e n v e l o p et r a c k i n g ) 技术，l i n c ( l i n e a ra m p l i f i c a t i o nu s i n gn o i l l i i l e 盯 c o m p o n e n t s ) 技术和d o h c r t y 技术 3 j 。e e r 技术利用一个高效率的包络放大器和工 作在饱和状态下的非线性的功率放大器共同组成了一个高效率、高线性的放大系 统。e t 技术与e e r 技术有些类似，但它利用的是一个线性的功率放大器，因此， 电子科技大学硕士学位论文 其效率相对于e e r 技术要低一些。l i n c 技术利用两个工作在饱和状态下的非线 性的功率放大器共同组成了一个高效率、高线性的放大系统。 尽管e e r 技术，e t 技术和l i n c 技术都可以显著的提高发射机的效率，但是， 它们的结构比较复杂，需要增加额外的辅助电路，成本和调试量也大大增加。相 对而言，d o h c r t y 技术具有结构简单、易实现和成本低的优点，成为了目前应用最 为广泛的一种效率增强技术【4 】。表1 2 列出了近期发表的d o h c u t y 功率放大器的效 率。 ab w c d m am e a s u r e dd r a i ne s t i m a t e dd r a i n d e s i g n c r e s tf a c t o r e f f i c i e n c yw i t he f f i c i e n c y 、丽m u s e di nr e f c r e s tf a c t o ru s e di nc r e s tf a c t o ro f r e f 1 1 5d b s t e i n b e i s c r e ta 1 【6 l 6 5d b5 7 4 5 2 y 锄a m o t 0e ta 1 忉9d b5 0 4 4 9 u ie ta 1 【8 】7 8d b4 2 3 6 2 p e l k e ta 1 1 5 1 1 5d b5 5 5 5 本课题的主要任务是研制一个2 1 4 0m h z 频段的3 - w a yd o h e r t y 功率放大器 ( 3 d p a ) ，其主要指标( 测试信号：3 g p pt e s tm o d e ll ，6 4d p c hw i t h5 0 c l i p p i n g , t h ep a ro f w h i c hi s8d b 0 0 1 p r o b a b i l i t yo nc c d f ) 为： ( 1 ) 平均输出功率4 8d b m ； ( 2 ) d p d 环境下，a c p r 小于6 0d b c ； ( 3 ) 漏极效率不小于4 5 ； ( 4 ) 功率增益不小于1 0d b 本课题的主要工作是： ( 1 ) 3 d p a 原理的分析与推导； ( 2 ) m a i n 、p e a k l 和p e a k 2 功率放大器的设计与仿真； ( 3 ) 3 d p a 的整体仿真； ( 4 ) 3 d p a 的调试与优化。 2 第二章功率放大器的主要技术指标和基本工作类别 第二章功率放大器的主要技术指标和基本工作类别 2 1 功率放大器的主要技术指标 射频功率放大器的设计相对于常规低频电路的设计更为复杂。首先要考虑的 是功率放大器电路的稳定性。在满足稳定性的前提下，必须使功率放大器的增益， 输出功率和效率最大化【9 , 1 0 。 2 1 1 稳定性 功率放大器必须满足的首要条件之一是在其工作频带内的稳定性，这是因为 射频电路在某些工作频率和负载条件下会产生不希望有的寄生振荡。功率放大器 产生寄生振荡的主要原因是通过功率放大器的内在电容、共地电感或者通过外部 的电路元件，由输出正反馈到了输入【9 l l 】。 功率放大器的稳定性可以通过稳定性判定圆在s m i t h 圆图上显示出来【1 2 】。功 率放大器可以视为一个两端口网络，该网络由s 参量与外部终端条件rs 和rl 确 定( 如图2 1 所示) 。 l 图2 1 功率放大器网络示意图( s 参量) 定义稳定性因子k ( r o l l e t t 因子) p 3 1 ： 七= 圳酬产 其中： a = s l l s 2 2 一s 1 2 s 2 l 功率放大器绝对稳定的充分必要条件为【1 4 】： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 k l 墨1 2 1 一i s 。：s ：。 s 篮1 2 l i 墨：s ：。 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 只要满足式( 2 3 ) ，( 2 4 ) 和( 2 5 ) ，功率放大器的匹配电路就可以任意选择， 而不必考虑功率放大器的稳定性问题。 若功率放大器本身是潜在不稳定的，可以通过选择适当的源和负载阻抗，使 功率放大器输入、输出端的负阻被抵消掉，从而使电路的稳定性得到改善【1 2 1 。此 外，功率放大器的寄生振荡既可能发生在工作频带内，又可能发生在低频和高频 区域，所以，需要通过不同形式的稳定电路来改善电路的稳定性【9 】。 2 1 2 增益 功率放大器在满足稳定性的前提下，其增益必须最大化。功率放大器的增益 可以定义为【9 , 1 2 】； ( 1 ) 转换功率增益 转换功率增益( g t ) 是耗散在负载上的功率与信号源的资用功率的比值。它 既依赖于功率放大器输入端的匹配，也依赖于其输出端的匹配。 ( 2 ) 资用功率增益 资用功率增益( g a ) 是功率放大器的资用功率与信号源的资用功率的比值。 它仅依赖于功率放大器输入端的匹配，与其输出端的匹配无关。 ( 3 ) 工作功率增益 工作功率增益( g p ) 是耗散在负载上的功率与功率放大器的输入功率的比值。 它仅依赖于功率放大器输出端的匹配，与其输入端的匹配无关。 在实际中，为表征一个功率放大器电路的增益特性，经常使用的是两种类型 的增益：工作功率增益g p 和转换功率增益g t 。工作功率增益使用的最多，这是因 为在实际情况下，需要计算功率放大器输入端的功率和功率放大器传递给负载的 功率。此外，为了分析功率放大器的稳定性，需要知道其源阻抗和负载阻抗，因 此，在这种情况下，需要使用转换功率增益，在功率放大器满足稳定性的前提下， 需要尽可能的增加转换功率增益f 9 】。 4 第二章功率放大器的主要技术指标和基本工作类别 2 1 3 线性度 功率放大器的非线性会引起发射信号的失真并产生带外杂散【1 5 , 1 6 】。幅度幅度 转换( a m a m 失真) 表现为输出信号与输入信号在瞬时幅度或包络形状上的差异， 它主要是由功率放大器增益的波动或输出功率达到饱和导致的。幅度相位转换 ( a m p m 失真) 是一种与信号的幅度相关的相移，它会引起输出信号不希望有的 相位调制，它主要是由功率放大器内部的非线性电容引起的。 一般，以功率放大器的l d b 压缩点( p l 曲，如图2 2 所示) 作为衡量其功率输 出能力大小的标准。功率放大器的p l 血越大，发射信号的线性度越好。 已 芎 。 乱 图2 - 2 功翠放大器p l d a 不葸图 在实际中，通常以a c p r 和e v m 来衡量功率放大器的线性度。 a c p r ( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o ) 度量了干扰或者说是相邻频率信道功 率的大小【1 6 1 ，通常定义为相邻频带( 或偏移) 内平均功率与发射信号频带内平均功率 的比值。以彳c 艘幼咿为例进行说明： 正一矗+ g w 2 f 1 圩2s ( 厂) d s 彳c 艘腑= 型生一 ( 2 6 ) 0 何驴】2s b ) d i 其中，泐为发射信号的功率谱密度函数，蚴为脉冲成形滤波器的频率响应 函数，五为载波频率，如为频率偏移量，b v 为邻信道信号功率积分带宽，乃和五 电子科技大学硕士学位论文 分别为工作频带的上、下限频率。 a c p r 描述了由于发射机硬件非线性造成的失真大小。a c p r 对于w c d m a 发射机来说是至关重要的，因为c d m a 调制在调制载波中产生紧密相邻的频谱成 分。这些成分的互调制导致中心载波两侧频谱的再生，发射机的非线性将使这些 频谱再生成分进入相邻信道。 表2 1 列出了不同系统对a c p r 的要求。 表2 - 1 不同系统对a c p r 和e v m 的要求【1 6 】 s t a n d a r do f f - s e t lo f f s e t 2b w i n t e g r a t i o n e v m f i l t e r ( p e a k t i n s ) n a d c4 - 3 0 她4 - 6 0 眦3 2 8 眦r r c2 5 1 2 一2 6d b e- 4 5 d b c 口= o 3 5 p h s4 - 6 0 0k h z4 - 9 0 0k h z3 7 5k h zr r c2 5 1 2 一5 0d b c5 5d b c口= 0 5 0 e d g e4 - 4 0 0 眦4 - 6 0 0k h z3 0 眦n o n e2 2 7 0 5 8d b c一6 6d b c t e t r a4 - 2 5k h z4 - 5 0 k h z2 5 眦 r r c 3 0 1 0 一6 0 d b c7 0 d b c口= o 3 5 i s 9 54 - 8 8 5k h z4 - 1 9 8 0l “王z3 0 眦n o n en a c d m a- 4 5d b c5 5d b c w c d m a4 - 5 0 0m h z4 - 1 0 0m h z4 6 8m h zr r c2 5 n a ( 3 g p p ) 3 3d b c4 3d b c口= ：0 2 2 q 图2 3 误差矢量信号示意刚1 q e v m ( e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e ) 是在一个给定时刻理想无误差基准信号与实际 发射信号的向量差。因为在每个符号变化时它也在不断的变化，它定义为误差矢 量信号在段时间内的均方根( r a m s ，r o o tm e a ns q u a r e ) 值【1 6 1 。一般，将e v m 表示成误差矢量信号和基准信号之间的比值，并把这种比值用百分比的形式表示。 其中，基准信号为被测信号经过测试仪器理想的解调恢复出来的。误差矢量信号 6 第二章功率放大器的主要技术指标和基本工作类别 的示意图如图2 3 所示。 e v m 对于发射机性能来说也是十分重要的，因为它表示了发射信号的调制质 量。大的e v m 值将导致糟糕的检测精度，从而降低收发机的性能。不同的系统对 e v m 的要求如表2 1 所示。 2 1 4 效率 效率和线性度是功率放大器两个最重要的指标。效率有三种形式的定义【1 6 1 ： ( 1 ) 漏极效率 漏极效率( d r a i ne f f i c i e n c y ) 定义为功率放大器的射频输出功率与电源直流输 入功率的比值： ，7 锄2 手 ( 2 - 7 ) ( 2 ) 功率附加效率 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 n c y ) 是在漏极效率的基础上，将功 率放大器的输入功率考虑在内( 将其在输出功率中减掉) ： pp p a e = 上堕上( 2 8 ) p 出 p a e 与漏极效率的关系为 1 0 】： p a e = r l , 熵( - 一去) 沼9 ， 由式( 2 9 ) 可以看出，p a e 不仅取决于漏极效率，而且与增益有关：当增益 较高时，p a e 与漏极效率基本相等；当增益较低时，p a e 小于漏极效率；当增益 足够低时，p a e 甚至会出现负值。 ( 3 ) 整体效率 整体效率( o v e r a l le f f i c i e n c y ) 与p a e 的定义有些类似，但是它是将功率放大 器的输入功率与电源直流输入功率相加： ，7 俐= 丽l - o u tj 2 邶 整体效率适用于所有情况，它可以将驱动级电源的直流输入功率，由辅助电 路( 比如，d s p ) 引起的功率损耗和其他对系统整体效率有影响的因素都考虑进来， 7 电子科技大学硕士学位论文 以此来衡量整个系统效率的高低。 2 2 功率放大器的基本工作类别 2 2 1 介绍 功率放大器通常可以分为a ，b ，c ，d ，e 和f 类等工作状态。除a 类之外 的其他几种都工作在开关模式下，都是非线性的，并且要通过一定的波形整形技 术来实现【1 7 1 。这些工作模式之间的区别在于它们的工作原理，效率和功率输出能 力的不同。 ( b ) ( c ) 图2 _ 4 功率放大器拓扑结构：c a ) 单端式，( b ) 推挽式和( c ) 互补式【1 7 1 功率放大器基本的拓扑结构有单端式，推挽式和互补式，如图2 - 4 所示。基于 第二章功率放大器的主要技术指标和基本工作类别 图2 5 理想功率放大器的漏极电压和电流波形【1 刀 2 2 2 基本工作类别：a 、a b 、b 和c 类 2 2 2 1 谐波电流 假设【1 0 】： ( 1 ) 功率管的输入电压输出电流关系是理想的互导性( 如图2 - 6 所示) ； ( 2 ) 当输入电压幅度达到最大时，输出电流幅度达到最大( 如图2 7 所示) ； ( 3 ) 栅极最大电压为l v 可以得出以下关系： 圪= 1 一_ ( 2 1 1 ) 其中，峋定义为功率管的栅极静态偏置电压，跆定义为功率管的栅极输入电 压在峋下可达到的最大幅度。由式( 2 - 1 1 ) 可知，当减小栅极静态偏置电压v q 时，为了使输出电流在一个周期内的最大值保持不变，需要增加输入电压的幅度 v s 9 电子科技大学硕士学位论文 芒 星 云 量 巴 d i d e a ls t r o n g l yn o n l i n e a r g a t ev o l t a g e ( v g ，n o r m a l i z e d ) 图2 - 6 理想功率管输入电压输出电流关系 图2 - 7 减小导通角下的功率放大器的输入电压、输出电流波形 下面，对图2 7 所示的波形进行分析。 如p ，= 七燃口1 2 ，2 8 p a 万2 c 2 - 2 ， 其中口定义为导通角，c o s ( a 2 ) = - i , 肚，肚= ，一- 叮，因此： 第二章功率放大器的主要技术指标和基本工作类别 如p ) = 南s p ) 一c o s 2 ) ) 一口2 图3 4 ( 8 ) 匹配电路；( b ) 匹配电路在s m i t h 圆圈上的匹配过程 电子科技大学硕士学位论文 3 3 拓扑结构 功率放大器匹配电路的拓扑结构主要包括 9 , 1 1 ，2 0 】： ( 1 ) 利用集总元件实现的( a ) l 型匹配网络，( b ) 万型匹配网络和( c ) t 型匹配网络； ( 2 ) 利用微带线实现的匹配网络。 功率放大器匹配电路拓扑结构的选取依赖于其工作频带的宽度，匹配电路的 可实现性、可调试性和对谐波的抑制度等方面的要求，此外，还要兼顾功率放大 器的稳定性。 考虑到电路的工作带宽和匹配电路的q 值直接相关，下面以l 型匹配网络为 例对匹配电路的q 值进行简单的说明。 l 型匹配网络可以利用r x 电路的并、串联等效变换电路进行分析【9 1 。 z l ( a ) 图3 - 5 ( a ) r - x 并联；( b ) r - x 串联 在图3 - 5 所示的电路中： 乙= 器+ 器 z 2 = r 2 + j x 2 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 设r l r z ，令z l = z a ，可以得到下式： 曷= r 2 ( 1 + q 2 ) ( 3 1 3 ) 五= x ：( 1 + q ) ( 3 1 4 ) q = 南= 掣 俘 式( 3 1 5 ) 中，q 是电路的品质因数，并、串联电路的品质因数是相等的。将 2 0 第三章功率放大器匹配电路 图3 5 的( a ) 、( b ) 两个电路连接成图3 - 6 所示的电路形式，x l 变为式( 3 - 1 4 ) 的 共轭： 图3 _ 6 l 型匹配网络 x l = 一x 2 ( 1 + q 五) ( 3 1 6 ) 最后，得到图3 6 中的z i n 为纯阻r l ，l 型网络实现了阻抗从r 2 到r l 的变换。 x l ，x 2 具有下述关系： i x i i = r i q ( 3 1 7 ) i x 2 i = r 2 q ( 3 - 1 8 ) q = 马恐一l ( 3 - 1 9 ) 由式( 3 1 9 ) 可知，l 型匹配电路的q 值由r l 和r 2 的比值决定：当r i 为5 0o h m ， r 2 为2o h m 时，匹配电路的q 值为4 9 ；当r 2 为o 5o h m 时，匹配电路的q 值为 9 9 当l 型匹配电路的q 值不能满足电路的工作带宽要求时，需要选用多节匹配 网络。 3 4 高0 电容 高q 电容在射频功率放大器电路中的用途比较多，主要包括：耦合隔直，旁 路和阻抗匹配等【2 1 五3 1 。 高q 电容的电路模型如图3 7 所示。图中，c o 是无寄生参数、理想情况下的 电容，r s 是等效串联电阻( e s r ) ，l s 是等效串联电感( e s l ) ，c p 是并联寄生电 容【2 1 2 3 1 。 c o&l 。 图3 7 高q 电容电路模型 2 l 电子科技大学硕士学位论文 下面分析高q 电容的电路参数。 高q 电容的电路参数主要包括等效串联电阻( e s r ) 、品质因数( q 值) 、串 联谐振频率( f s r ) 、并联谐振频率( f p r ) 、阻抗( z ) 和耗散系数( d f ) 。 ( 1 ) 等效串联电阻( e s r ) 高q 电容所有热损耗的总和通过e s r 表示。e s r 由介质损耗( r s d ) 和金属 损耗( r s m ) 两部分组成，一般在毫欧级。 e s r = r s d + r s m( 3 - 2 0 ) r s d 表征的是高q 电容中的介质材料的热损耗。每种介质材料都有一个损耗 角正切( t a n t ，) ，损耗角正切越大，r s d 越大，介质材料产生的热损耗越大。当热 量足够高时，会导致电容的热击穿，电容失效。 r s m 表征的是高q 电容中的导体的热损耗。r s m 由两部分组成：欧姆损耗和 趋肤效应损耗。高q 电容的电极厚度对应于某一频点下的趋肤深度，在该频点之 后的区域，e s r 的大小主要由趋肤效应损耗决定，并且与频率的平方根成正比。 与r s d 相同，当热量足够高时，会导致电容的热击穿。 f r e q u e n c yc a p a c i t o r r s dr s me s r ( m h z )( p f )( m - o h m )( m - o h m ) m - o h m ) l1 8 i 也2 01 4 571 5 2 31 8 r 2 2 04 8 27 85 6 3 01 8 r 2 2 04 8 29 1 8 1 4 3 0 01 8 l 也2 00 4 82 8 5 1 2 9 表3 1 列出了a t c 公司给出的一组数据，通过它来说明r s d 和r s m 在不同频 率下对e s r 的影响：r s d 在低频( 3 0 m h z ) 时对e s r 的影响明显， 随着频率的升高，r s m 逐渐增大。总体上，e s r 首先随着频率的升高逐渐减小， 当到达某一频点( f s r ) 之后，e s r 随着频率的升高逐渐增大。 当高q 电容用于旁路、耦合隔直和阻抗匹配时，需要考虑e s r 的影响。 ( 2 ) 品质因数( q 值) 电容的q 值在数值上等于等效电抗的绝对值与e s r 的比值。 1 2 = 掣 ( 3 - 2 1 ) 第三章功率放大器匹配电路 从式( 3 - 2 1 ) 可以看出：电容的q 值与e s r 成反比，与等效电抗的绝对值成 正比。组典型的高q 电容的q 值与频率的关系如图3 8 所示。 a t c l 0 0 8 8 r 2o - f a c t o r a 图3 - 8a t c l 0 0 8 8 r 2 高q 电容的q 值与频率的关系 由图3 8 可以看出，q 值首先随着频率的升高而降低，当频率达到某一频点 ( f s r ) 时，q 值达到最小，然后随着频率的升高而升高。 当高q 电容用于阻抗匹配时，需要考虑q 值的影响。 ( 3 ) 串联谐振频率( f s r ) 高q 电容的f s r 定义为： 1 2 司焉 。2 2 高q 电容在其f s r 处的阻抗：电抗部分为零；电阻部分( e s r ) 最小。此时， 高q 电容阻抗的幅度最小。 当高q 电容用于旁路时，应当选择f s r 在工作频率附近的电容，这样可以为 射频信号提供一个到地的阻抗最低的通道。 ( 4 ) 并联谐振频率( f p r ) 高q 电容的并联谐振主要是由并联寄生电容c p 引起的，对于大部分片式多层 陶瓷电容( m l c c ，m u l t i l a y e rc e r a m i cc a p a c i t o r ) 而言，f p r 大于两倍的f s r 高q 电容在其f p r 处，阻抗幅度会出现一个峰值，s 2 l 的幅度会出现一个陡峭 的下降，如图3 - 9 所示。 电子科技大学硕士学位论文 冒 已 p 掰 a t c l 0 0 鼬r 2 $ 2 1 $ 1 2m a g n i t u d e 图3 - 9a t c l 0 0 8 8 r 2 电容$ 2 1 s 1 2 与频率的关系 当高q 电容用于耦合隔直时，应当尽量选择那些f p r 远离工作频率的高q 电 容。如果条件受到限制，需要通过一些其他的方法将带内的f p r 点消除。 ( 5 ) 阻抗( z ) 高q 电容的阻抗幅度定义为： i z i = 、( e s r ) 2 + 伍c 一噩2 ( 3 2 3 ) 由式( 3 2 3 ) 可以看出，高q 电容的阻抗幅度与e s r 和( x c - x l ) 都有关。 a 可口0 0 b s r 2h d e d a n c em 鞫n k u d e 图3 1 0 a t c l 0 0 8 8 r 2 电容阻抗幅度与频率的关系 一ccoon芒廿19di_七一 第三章功率放大器匹配电路 高q 电容的阻抗幅度与频率的关系如图3 1 0 所示。当频率小于f s r 时，高q 电容的阻抗是容性的，阻抗的大小主要由1 ( c ) 决定，阻抗与频率的关系为双 曲线关系；当频率大于f s r 时，高q