（电路与系统专业论文）射频ab类功率放大器的非线性分析与研究.pdf

摘要 摘要 对于任何无线通信系统，都需要有发射机部分，作为发射机核心部件的功率 放大器，已经成为当今通信业的一个重要研究对象。无论是几百毫瓦的手机功率 放大器，还是几十瓦的基站功率放大器，甚至是几百瓦的电视功率放大器，设计 的基本原则都是相同的。但是随着无线通信的迅猛发展，对功率放大器的效率、 线性度、输出功率、带宽等指标的要求越来越高，因此如何使功放满足高线性和 高效率的要求是功放研究的热点，对射频功率放大器的非线性分析与研究具有非 常重要的实际意义。本文从理论上对射频功放的非线性做了深入的分析与研究， 特别是射频a b 类功率放大器的非线性，并通过实际功放电路验证前面的理论分 析。 文章首先介绍了线性功率放大器的基本理论，包括功率放大器的分类、稳定 性分析、非线性分析、匹配和负载源牵引理论。然后对传统降低导通角模式的功 率放大器进行了波形分析和输出终端阻抗分析，并且介绍了放大器传输特性曲线 中的膝区效应，对功率放大器的驱动信号做了讨论，在此基础上详细的分析了射 频a b 类功率放大器的非线性，包括了理想的传统a b 类功放，射频功放器件的非 线性传输特性和非线性电容效应。最后讲述了一个应用于w c d m a 基站中的射频 a b 类功率放大器的设计过程，利用a d s 仿真软件对功放电路进行了仿真优化， 然后通过电路调试，使设计的功率放大器满足指标要求，并给出测试结果以及验 证情况。 关键词：线性功率放大器，非线性，a b 类，匹配网络，谐波 a b s t r a c t f o ra n yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t r a n s m i t t e ri so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t s a n da st h ec o r ed e v i c eo ft r a n s m i t t e r , p o w e ra m p l i f i e rh a sb e c a m et h em o s ti m p o r t a n t s u b j e c tf o rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mn o w a d a y s w h e t h e ri t sam o b i l ep h o n et r a n s m i t t i n g af e wh u n d r e dm i l l i w a t t s ，ab a s es t a t i o nt r a n s m i t t i n gt e n so fw a t t s ，o rat vt r a n s m i t t e r r a d i a t i n gh u n d r e d so fw a t t s ，t h eu n d e r l y i n gp r m c i p l e si nt h ep o w e ra m p l i f i e rd e s i g na r e m u c ht h es a m e b u t ，w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , t h e r e q u i r e m e n t sf o rp o w e ra m p l i f i e r sa r em o r ea n dm o r et o u g h e r , i n c l u d i n gt h ee f f i c i e n c y , l i n e a r i t y , o u t p u tp o w e ra n db a n d w i d t h s oh o wt ob u i l dah i g he f f i c i e n c ya n dh i 曲 l i n e a r i t yp o w e ra m p l i f i e rb e c a m eah o t s p o t a l s oi t i si m p o r t a n ta n dm e a n i n g f u lt o a n a l y z et h en o n l i n e a r i t yo fr a d i of r e q u e n c yp o w e ra m p ! i f i e r t h en o n l i n e a r i t yo fr a d i o f r e q u e n c yp o w e ra m p ! i f i e r , e s p e c i a l l yt h ec l a s sa bp o w e ra m p l i f i e rw i l lb et h e o r e t i c a l l y a n a l y z e di nt h i sp a p e r f i n a l l y , ac l a s sa bp o w e ra m p l i f i e rw i l lb ed e i g n e d ，a n d v e r i f i e dt h et h e o r y f o rt h eb e g i n n i n g , t h eb a s i ct h e o r i e so fl i n e a rp o w e ra m p l i f i e rw i l lb ei n t r o d u c e d ， i n c l u d i n gt h ec l a s s i f i c a t i o n , s t a b i l i t y , n o n l i n e a rd i s t o r t i o n , m a t c h i n ga n dl o a d s o u r c ep u l l t h e o r y n e x t ，t h ea n a l y s i so fw a v e f o r i l la n dt h eo u t p u tt e r m i n a li m p e d a n c ef o rt r a d i t i o n a l r e d u c e dc o n d u c t i o na n g l ep o w e ra m p l i f i e rw i l lb ef o l l o w e d ；a l s ot h ei n t r o d u c t i o no f k n e e e f f e c t si nt h ea m p l i f i e rt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed i s c u s s i o no fd r i v i n g s i g n a lf o rp o w e ra m p l i f i e rw i l lb eg i v e n b a s eo nt h e s e , t h en o n l i n e a r i t yo fr a d i o f r e q u e n c yc l a s sa bp o w e ra m p l i f i e rw i l lb ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h ei d e a lt r a d i t i o n a l c l a s sa bp o w e ra m p l i f i e r , t h en o n l i n e a r i t yf o rr fd e v i c e sa n de f f e c t sa sp a r a s i t i c c a p a c i t a n c e a f t e rt h a t ，ac l a s sa bp o w e ra m p l i f i e rf o rw c d m a b a s es t a t i o nw i l lb e d e s i g n e d t h ea m p l i f i e rw i l lb es i m u l a t e da n do p t i m i z e du s i n ga d s ，a n dt u n i n gt om e e t t h es p e c i f i c a t i o n s t e s ta n dv e i l t i c a t i o nr e s u l t sw i l lb eg i v e n k e y w o r d s ：l i n e a rp o w e ra m p l i f i e r , n o n l i n e a r i t y , c l a s sa b ，m a t c h i n gn e t w o r k s ， h a r m o n i c u 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： 童：l 丛茎援 日期： 力f 。年g 月2 严日 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：纠f 事穆 签名：l 彳为残导师签名：乡琢夏t 乏 日期：州。年岁月凹臼 第一章引言 1 1 射频功率放大器概述 第一章引言 在低频范围内为了获得足够大的低频输出功率，需要采用低频功率放大器， 同理，在射频电路中为了获得足够大的射频输出功率，同样需要采用射频功率放 大器( r fp a ) 。射频功率放大器的实质功能就是用小功率的射频输入信号去控制 射频功率放大器，将直流电源供给的能量转换为发射机末级需要的大功率射频能 量【1 1 。 图1 1 为无线通信系统中的发射机原理框图，从框图可知要向空间辐射电磁 波，就需要将发射机前级电路中的小信号经过混频、滤波和一系列的放大获得足 够的射频功率，这样才能馈送到天线上辐射出去。这就需要利用射频功率放大器 来获得足够大的射频功率，因此，射频功率放大器是各种无线发射机系统中的重 要组成部分。 z y 基 图l - l 无线发射机原理框图 众所周知，随着目前日益增长的无线通信业务需求，无线通信频段变得越来 越拥挤，有限的无线频谱资源就显得格外珍贵。因此为了在有限的频谱范围内容 纳更多的通信信道，就需要采用频谱利用率高的发射机，这就要求发射机的线性 度高。由于射频功率放大器是发射机中非线性最强的部分，因此提高功率放大器 的线性度是线性化发射机的关键。 1 2 射频功率放大器的研究历史及现状 近年来射频微波功率放大器发展迅速，特别是无线移动通信基站中的宽带线 性功率放大器和手机中的低电压高效率功率放大器的发展更加迅猛。随着军事和 电子科技大学硕士学位论文 无线通信领域的标准和技术的发展，射频微波功率放大器的性能要求日益提高， 使之在更宽频带内，具有更高的效率、输出功率、线性度和可靠性。例如在移动 通信系统中，由于通信容量的不断扩大，需要采用多载波通信，所以要求功率放 大器具有较高的线性度；为了使数据的传输速率更高，单个信号的带宽将增大， 这就要求功放具有宽带特性；为了减少功率管的使用数量和功率放大的级数，降 低成本，这就需要提高功率放大器的增益；为了降低冷却要求，易于热控制，就 需要提高功放的效率；为了增加通信基站的覆盖范围，这就要求提高功放的输出 功率。为了达到上述这些要求，对射频功率放大器的设计将提出新的要求。 近半个多世纪以来，推动射频功率放大器发展的主要因素有射频功放器件的 快速发展、射频功放技术的迅猛发展及射频电路计算机辅助设计技术的不断发展。 1 ) 射频功放器件的发展： 1 9 4 7 年1 2 月威廉肖克利( w i l l i a ms h o c k l e y ) 、约翰巴顿( j o h nb a r d e e n ) 等人在 美国贝尔实验室成功的制造出第一个晶体管，晶体管的出现使人们能用一个小 巧的、消耗功率低的电子器件代替体积大、功率消耗大的电子管。 在1 9 5 2 年肖克利等人又提出了结型场效应管( j f e t ) 的基本理论，一年后成 功制成了j f e t ，使晶体管开始应用于商业领域。与双极型晶体管( b j t ) 相比， 场效应管( f e t ) 具有输入阻抗高，噪声小，功耗小。极限频率高，温度性能 好，制造工艺简单，抗辐照能力强等优点。 真正应用于射频微波领域的功率晶体管是在六十年代硅晶体管的基础上发展 起来的。6 0 年代初发展了金属氧化物半导体场效应管( m o s f e t ) ，1 9 6 6 年 美国的c 米德提出了肖特基势垒栅场效应管( m e s f e t ) 。 进入7 0 年代，砷化镓( g a a s ) 单晶及其外延技术获得突破。由于g a a s 材料 具有高电子迁移率、宽禁带、高电阻率等特点，使得射频微波功率放大器的噪 声、功率和使用频率有很大的提高。 7 0 年代末到8 0 年代初，随着分子束外延技术和有机金属化学汽相淀积技术的 进步，可以一次生产出高质量的不同成分和掺杂浓度的多层外延薄膜，使得各 种异质结器件相继研制成功。异质结双极晶体管( h b t ) 的出现使射频微波功率 放大器的工作频段更高。 到9 0 年代，出现了如高电子迁移管，假同晶高电子迁移管等多种新型固态器 件，同时还出现如i n p 、c a n 、s i c 等多种新材料，使得射频器件的工作频段、 噪声、增益等性能得到很大的提高。同时单片射频微波集成( m m i c ) 器件也在 快速发展，其高增益，小尺寸的特性使得m m i c 成为当前发展各种高科技军 2 第一章引言 用和民用产品的重要支柱。 2 ) 射频功放技术的发展： 功率放大器的非线性是功放设计的难点，但是，随着微处理控制技术和d s p 技术的出现和发展，使得可以采用线性化技术提高射频功率放大器的线性度， 如前馈技术、功率回退技术、反馈技术和预失真技术等。 功率合成技术的发展使功放的输出功率可以高达几千瓦，功率合成就是使用两 个以上的晶体管对输入的信号进行放大后，再进行功率相加，得到一个总的输 出功率。 宽带技术的发展可以使功放的带宽达几十个g h z 以上，拓展功放带宽首先需 要选择宽频带功放管，其次要采用宽带匹配技术。 各种效率增强技术如d o r h c r t y 技术、包络跟踪、包络消除再生技术和自适应偏 置技术的发展为功率放大器效率的提高提供了方便。 3 ) 随着新兴半导体器件的高速发展，出现了多种射频微波电路仿真软件。通过 c a d 软件仿真，功放设计者可以在计算机上得到电路的仿真结果，并且能够对电 路的参数和指标进行修改和优化，比较仿真结果可得到一个最佳方案，从而减少 电路设计和调试时间。随着计算机运算能力和器件模型精度的不断提高，功放设 计者可以在很短的时间内得到与实际非常接近的结果。 射频功放器件和各种技术发展至今，已经开发出多种功放来满足军用和民用 的需求。随着材料、计算机以及功率放大器相关理论的进一步发展，可以设计出 更高性能的射频功率放大器。 1 2 论文结构及内容安排 本文共分为六章，主要内容： 第一章是引言，简要地概述了功率放大器在无线通信中的作用，射频功率放 大器的研究历史及现状，以及强调了射频线性功率放大器的重要性。 第二章首先介绍了线性功率放大器的基本理论，对功率放大器进行了分类， 讨论了放大器的稳定性问题，接着着重分析了放大器的非线性，包括放大器的强 非线性效应和弱非线性效应。然后介绍了功率放大器在不同的输出匹配方式下具 有不同的功率传输特性，最后简要的介绍了负载源牵引理论。 第三章详细分析了射频a b 类功率放大器的非线性，首先分析了传统的降低导 通角工作模式的功率放大器，包括了对传输特性曲线的膝区效应和线性区的弱非 3 电子科技大学硕士学位论文 线性的分析，接着讲述了利用整形的驱动信号来提高多级功放系统的性能。最后 对工作在射频频率的a b 类功率放大器的非线性做了更加细节的分析，如功放器件 的非线性传输特性和非线性电容效应。 第四章详细介绍了一种射频a b 类功率放大器的仿真设计过程，对增益、输出 功率、线性度、效率等进行了综合考虑。 第五章叙述了功放的调试过程，并给出了测试结果和分析。 第六章对本文进行了总结。 4 第二章线性功率放大器的基本理论 第二章线性功率放大器的基本理论 线性功率放大器在现代无线通信系统中的重要性越来越大，特别是在c d m a 体制移动通信系统中，线性功率放大器已经是必不可少的重要部件。功率放大器 的整体电路可以用图2 1 表示，对该网络的分析可以得到很多功放的基本理论。 z of i n f o u tz o 4 a 幸 l 7 一 l 上 a lb 2i 山 亍 9 。孕2彳 2 1 功率放大器的分类 图2 1 放大器的s 参数网络 功率放大器种类的划分有多种方式，根据功放管电流导通角的不同可以将功 率放大器分为甲( a ) 类、甲乙( a b ) 类、乙( b ) 类、丙( c ) 类等放大器，如 图2 - 2 所示。 漏极电流 图2 - 2 功率放火器：f ：作状态的分类 除了以上几种按照电流导通角分类的工作状态外，还有使电子器件工作于开 5 电子科技大学硕士学位论文 关状态的丁( d ) 类放大器和戊( e ) 类放大器。各类放大器具体区别看表2 一l 。当 功率放大器工作在a b 类、b 类、c 类等降低导通角类型下，输出的电流波形会失 真，需要采用调谐回路作为负载网络。由于调谐回路是选频网络，具有滤波能力， 能够使负载谐振功率通过，抑制由放大器非线性特性产生的非线性成分，从而得 到接近于正弦波的回路电压和电流波形，使失真减小【1 1 。 表2 1 不同丁作状态下放大器的特点 工作状态 半导通角色 理想效率 a 类 皖= 1 8 0 。 r l = 5 0 a b 类 9 0 。 o o 1 8 0 。 5 0 n 7 8 5 b 类 o o - - 9 0 。 n = 7 8 5 c 类 o o 7 8 5 d 类开关状态 9 0 r l 1 0 0 e 类开关状态 9 0 l ，则反射电压的幅度变大，即电路是正反馈，导 致电路产生不稳定现象；相反，若l r 。l l 、l i l i 1 ，反射电压的幅度变小( 负反馈) 。 因此当放大器的输入、输出反射系数的模都小于l ，不管源阻抗和负载阻抗如何， 网络都是稳定的，称为绝对稳定，放大器绝对稳定的充分必要条件是： i f s l 1 ( 2 4 ) 当i t l 时，放大器工作在绝对稳定状态；当i t 彳) ， 都加到同一个非线性放大器时，由于器件的非线性作用使两个信号相互调制。 互相调制产生的新频率的输出功率就是互调分量，二阶互调分量有疋4 - f 频 率，三阶互调分量有2 f 五、2 五石频率。如果放大器的非线性可以用一个 幂级数展开式近似表示，那么输入信号每增加l d b ，二阶互调分量会增加2 d b ， 三阶互调分量会增加3 d b ，如图2 3 所利6 1 。其中三阶互调分量p ( 2 f 一厶) 容 易落在通带内难于滤除，故可用输出基波功率与三阶互调分量之比值来衡量放 8 第二章线性功率放火器的基本理论 大器非线性失真的程度，即三阶互调失真i m d 3 ( 见图2 - 4 ) 的计算公式： 蝴( d b c ) = 器 ( 2 - 5 ) p o t r r ( d b m h z ) 图2 4 双晋互调失真谱 三阶截断点i p 3 ( t h i r d o r d e ri n t e r c e p tp o i n t ) 为输出基波功率( 石) 或( 石) 与 三阶互调分量p o ( 2 f 一正) 外退的交点，即放大器输出功率与输入功率的关系曲 线中基频曲线与三阶互调分量曲线线性延长线的交点，交点的输入功率就是输 入三阶截断点i i p 3 、输出功率就是输出三阶截断点o i p 3 ，如图2 3 所示【5 】。输 出三阶截断点功率的典型值比p l d b 高1 0 - 1 2 d b 。i p 3 可以通过测量i m d 3 得 到，计算公式为： o i p 3 ：p o l l t + i m d 3 ，i i p 3 ：p i n + i m d 3( 2 6 ) 22 其中，p o u t 是输出基波功率( 彳) 或乞( 正) ，p i n 是最( z ) 或圪( 五) 。 2 3 2 放大器的弱非线性效应 放大器的非线性包括弱非线性效应和强非线性效应，利用v o l t e r r a 级数可以分 析弱非线性效应，而强非线性效应需利用谐波平衡法分析。图2 5 所画的放大器包 含了晶体管和输入、输出匹配网络，当晶体管的r f 驱动信号v ( f ) 非常小时，放大 器表现出弱非线性，放大器的输出信号v o ( t ) 可以表示为： v 0 ( t ) = q q ( ，) + 吻哼( f ) + 呜谆( ，) + ( 2 - 7 ) 如果输入信号是单一频率，即v a t ) = 形c o s o ) ，t ，则 v o ( t ) = a i kc o s a i t + a 2 巧2c o s 2q f + 口3 形5c o s q f + = 三口：巧2 + ( 口l 巧+ 三口，巧，) c o s o ，t + j 1a 2 k zc o s 2 c o ，t + i 1a 3 v i ，c o s 3 哆f + 2 - 8 9 电子科技大学硕士学位论文 ) 丁 v o ( t ) 图2 5 弱非线性效应 由上式可知，尽管图2 - 5 中放大器电路的输入、输出匹配网络是由无源器件组 成，但是输出信号除了输入信号频率外，还出现了直流分量和高次谐波分量【3 1 。利 用上述公式来分析放大器的弱非线性效应非常有用，因为在互调失真低于3 0 d b c 时，器件的非线性特性是很难用i v 特性曲线模型来分析的。 2 3 3 放大器的强非线性效应 放大器的强非线性效应是指放大器件传输特性曲线的非线性，图2 - 6 中实线是 理想的f e t 管的转移特性曲线，虽然曲线是理想化的，但是对分析功率放大器的 功率和效率是非常有用的。图2 - 6 中虚线是弱非线性模型曲线，特指放大管的三阶 效应特性曲线，可用等式 l = g o + 蜀k + 圪2 + 名3 ( 2 - 9 ) 描述，假设截止点和饱和点之间的栅极电压归一化范围为( 0 ，1 ) ，则上式化简为 l = + 3 名2 2 名3 ( 2 - l o ) 上式所画的曲线就是图2 6 中截止点与饱和点之间的虚线，考虑到更高阶效应，可 以画出正常f e t 模型的传输特性曲线图2 7 【3 1 。 漏极f 扛流 00 5 l 图2 - 6f e t 的强弱1 f 线性特性曲线 1 0 第二章线性功率放大器的基本理论 漏极电流 厂 一 图2 7f e t 的强弱非线性综合特性曲线 由图2 7 可知，在线性区f e t 管的输出与输入信号近似成线性关系，随着栅 极电压的增加漏极电流上升的速度变慢，此时器件处于强非线性区，栅极电压继 续增加漏级电流基本保持不变，器件进入饱和区。因此，当放大器工作在截止区、 强非线性区、饱和区时，输出电压被限幅，会出现频谱再生问题。 2 3 4a 类放大器与线性放大器 从射频功率放大器角度看，人们普遍认为“a 类与“线性是相同的意思， 但事实上，a 类放大器通常并不是线性的，并且高度线性放大器并不一定是a 类 放大器。 回到图2 6 中的理想强非线性传输特性曲线。假设放大器在截止点和饱和点之 间的区域是完全线性的，当放大器的静态工作点选择在上述线性区域的中点，并 且放大器的射频驱动信号幅度没有超过边界值，此时放大器完全工作在线性状态 下，如果射频驱动信号为正弦信号，则输出信号也是正弦信号，不会有新的谐波 成分，这种放大器就是传统的a 类放大器。但是事实上，上述所说的线性区域具 有弱非线性效应，随着驱动信号的增加，此区域的弱非线性效应变得越来越不明 显。但是设计的a 类功率放大器，驱动信号会增大到非线性不断增强的区域甚至 逼近突然截止点，在这种情况下，输出端的电流波形将具有大量的谐波成分。在 实际中，输出电流将流经输出匹配网络，而这个网络通常是低通的，从而高阶谐 波分量被衰减，正因为如此使得a 类放大器具有输出频谱比较“干净”的假象， 但是驱动信号为非恒包络或者调制信号时，将会出现很多互调分量，但是总的来 说，a 类放大器还是比a b 类放大器要“干净”些。 电子科技大学硕士学位论文 2 4 增益匹配和功率匹配 增益是功率放大器的重要参数，放大器的增益有多种定义，各种增益的定义 和之间的区别如下： 转换功率增益g r ( t r a n s d u c e rp o w e rg a i n ) ，定量的描述了插入在信号源与负 载之间的放大器增益，它的大小与输入和输出端的匹配程度有关。 负载吸收的功率 只 嶙2 胥甄丽丽2 芎 ( 1 - i rl 1 2 ) l 蚶( 1 1 r 。1 2 ) ( 2 - 11 ) l ( 1 一s 。f 。) ( 1 一是：r l ) 4 2 最。i l r s | 资用功率增益g a ( a v a i l a b l ep o w e rg a i n ) ，是放大器输出端共轭匹配 ( r 0 u t = r ：) 时，放大器产生的功率增益，也就是输出端共轭匹配情况下的 转换功率增益。资用功率增益只与晶体管s 参数及信号源阻抗有关。 一 ，! i 放大器的资用功率 吒2 坼b r o t r r 。百前丽鬲藤 刚2 ( 1 i r 。1 2 ) ( 2 - 1 2 ) ( 1 一l r o u t l ) 1 1 一s l r s i 实际功率增益g p ( p o w e rg a i n 或o p e r a t i n gp o w e rg a i n ) ，是放大器输入端共 轭匹配( f 州= e ) 时，放大器产生的功率增益，也就是输入端共轭匹配情况 下的转换功率增益。功率增益与晶体管s 参数及负载反射系数有关。即令 己= 只，可得到 g ：璺黧塑擎曼：墨：曼旦：g 互 放大器输入的功率 最只圪1 。最 ( 1 - i rl 1 2 ) i 蚶 ( 2 _ 1 3 ) ( 1 - f 烈1 2 ) 1 1 - s 2 2 f l l 2 单向化功率增益g r u ( u n i l a t e r a lp o w e rg a i n ) ，单向化功率增益是忽略了晶体 管自身反馈效应的影响( 墨：= 0 ) 时的转换功率增益，其中q 和g 是放大器 输入、输出匹配网络的增益分量，g 0 是晶体管的插入增益。当放大器的输入、 输出端口都是共轭匹配( f 州= f ：，r o = ) 时，则有最大的单向化功率增 益一【4 】o 1 2 第二章线性功率放大器的基本理论 吼卸= 黼恻2 器 ( 2 - 1 4 ) = a s g o q 其中p l ：负载吸收的功率，就是负载所获得的功率； 如：放大器输入功率，就是实际送入晶体管的功率最= 只一e ，当放大器输 入阻抗与信号源的内阻共轭匹配( f 聃= f ；) 时，反射功率为0 ，此时信 号源到放大器之间有最大功率传输； n ：信号源的资用功率等于放大器的输入功率己加上放大器的反射功率e ； l = = = ： ， = ：= ：= ，一 一一 a ；一 b ，二 一 _ ，一 a 谚，rb 共靳：匹配 一， ， ， ， 功率匹配 p m d b m ) l d b 格 图2 8 不同输出匹配下的功率转移特性曲线 增益匹配就是要获得最大的功率传输增益，即对放大器负载阻抗与信号源阻 抗进行双共轭匹配的设计。功率匹配是要获得最大的功率输出指源阻抗为共轭匹 配、负载阻抗为最大功率匹配时的匹配，图2 - 8 画出了两种不同输出匹配条件下的 a 类功率放大器的功率传输特性曲线，实线是在较低驱动信号时的功率传输特性 曲线，并且此时放大器的输出匹配是共轭匹配，其中a 、b 点指的是最大线性功率 点和p l d b 点，图中的虚线是放大器输出匹配为功率匹配时的功率转移特性曲线。 由图2 8 可知，功率匹配时的最大线性功率点和p l d b 点比共轭匹配时大大概 2 d b ，实际中利用各种技术可以使上述的差距在0 5 至3 或4 d b 之间变化，即功率 匹配的改进是在一个相当恒定的增益压缩范围内的。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 5 负载源牵引理论 功率放大器设计的主要目的就是要得到最大的输出功率，所以输入、输出匹 配网络的设计很重要，其中输入匹配网络的目的是使放大器得到足够高的增益， 输出匹配网络的目的是要使输出达到所要求的输出功率。由上面图2 8 可知输出功 率与输出匹配具有一定的关系，负载源牵引技术就是利用这种关系来设计射频功 率放大器。负载源牵引法的原理就是功率放大器在大信号电平激励下，通过在大 范围内连续扫描器件的负载或源阻抗( 或者反射系数) ，利用谐波平衡法逐点分析， 在s m i t h 阻抗圆图上画出一组等输出功率线、等效率线，等增益线，或者等3 阶交调 线等。根据设计目标找出最大值或最小值的交点，这个交点就是设计目标的最佳 阻抗点。 下图2 9 就是负载牵引测试的基本原理图，简单的来说，就是在放大管的输出 端接上一个阻抗调谐器，并将调谐器的输出端接上频谱分析仪或者功率计等仪器， 接着调整阻抗调谐器，直到放大器的输出功率达到最大为止。 猁詈 _ 7 ! 吟 以 2 6 本章小结 图2 - 9 负载牵引测试台的基本原理图 本章介绍了射频线性功率放大器的基本理论，首先对功率放大器进行了分类， 然后简单的分析了放大器的稳定性，指出放大器稳定性判定的方法有k 一参数判 定法和“参数判定法。接着对功率放大器的非线性做了详细的分析，包括了功率 放大器的非线性指标的定义，放大器的强弱非线性效应的分析，以及对a 类功率 放大器和线性功率放大器作了对比。文章的最后介绍了功率放大器在不同输出匹 配下的功率传输特性，得出了设计功率放大器的常用方法，即利用负载源牵引法， 文章对负载源牵引理论的基本原理和负载牵引测试的方法做了简单的介绍。 1 4 第三章射频a b 类功率放人器的非线性分析 第三章射频a b 类功率放大器的非线性分析 3 1 传统高效率功率放大器的分析 传统高效率功率放大器的工作模式为降低导通角的a b 类，b 类，c 类等放大 器，追溯到最早的真空管时代，设计高效率的功率放大器最古老的方法是在较低 的静态工作电流下，增大激励电压的幅度使放大器导通。事实上提高放大器的效 率仅仅降低导通角是不够的，还需要满足的条件是：第一，激励电压的幅度要远 大于a 类放大器的激励电压幅度；第二，功率放大器的射频输出信号的谐波分量 具有合适的终端负载阻抗。在一般的教材上都假设功放射频输出信号的谐波分量 对应的阻抗为零，即假设为谐波短路，这种假设使得功率放大器的分析变得简单 了，特别是在真空管时代使功率放大器的设计变得更加容易，但是这种假设使得 当今的晶体管匹配电路的拓扑结构变得比较混乱。 3 1 1降低导通角放大器的波形分析 降低导通角的基本过程如图3 1 ，放大器的静态工作点选择在a 类放大器静态 工作点与截止点之间，如果激励电压的幅度足够大，激励电压的负周期将超出放 大器的截止点。为了使输出电流达到理想的饱和电流l 。，激励电压k 必须大于a 类放大器的激励电压，在数量上激励电压k 满足： 屹= 1 一圪( 3 - 1 ) 其中圪是归一化的静态工作点电压，归一化标准是截止点电压k = 0 ，饱和点的电 压形= 1 。由上式可知，降低静态工作点( 导通角) 可以通过增加激励电压使放大 器导通而达到饱和电流k 。 由于输出电流的波形是削底的余弦波，即尖顶的余弦脉冲，因此一周期内的 电流平均分量减小了。输出电流波形可以表示为 w ，隹乏二2 吴：曼 c 3 国 其中厶= k 一，c o s 见= 一( ) ，因此重新整理得： 1 5 电子科技大学硕士学位论文 屯( 秒) = o - ! c 墼_ o s o 。) ( c o s 口一c o s 包) ( 3 _ 3 ) 珞 圪 所 l 幻么 一 将上述电流可分解为傅里叶级数 屯( 秒) = 厶+ l ic o s a + i , 2c o s 2 e + i d 3c o s 3 0 + + c o s n o + ( 3 1 ) 由傅里叶级数系数的求法可得直流分量如为： 厶= 三三t p ，d 1 9 l = 三丘n “酱d 口 。3 5 ， 一r s i n o 。一眈c o s o c = ， = 一 兀( 卜c o s 晓) 基波分量历，为： 驴三御) c o s o d 0 = 妻k 酱训d p ，晓一s i n 包c o s 包 、 (3-6) 刮一f 面矿 n 阶分量如为： l = 妻( 秒) c o s 柏d 秒= 三丘k 酱c o s ，枷目 ：，捌呈笙塑堡二! 竺丝! 遗刊 3 。 一兀 刀( 以2 - 1 ) ( 1 - c o s 0 ) 其中n = 2 、3 、4 ，因此输出的脉冲电流不仅包含了基波分量，还出现了直流分量 和高次谐波分量。图3 - 2 画出了电流直流分量、基波分量以及n 6 各高次谐波分量 与导通角的关系曲线图。图中导通角从a 类下降到b 类时，直流分量随导通角的 1 6 第三章射频a b 类功率放大器的非线性分析 下降单调下降，但是基波分量是基本不变。特别是将a 类、b 类放大器的半导通 角晓代入式( 3 5 ) 和( 3 6 ) ，可得 厶( a 类) = k 2 ，厶l ( a 类) = k 2 ( 3 - 8 ) 屯( b 类) = k 历l 。( b 类) = k 2 ( 3 - 9 ) 因此，仅仅从电流波形角度看，可知直流供电电压随着导通角的降低以, f f 2 的斜 率下降，因此效率将从a 类放大器的5 0 增加到b 类的7 8 5 ，但是上述只是在 理想的状态下可以达到，实际中还需要先考虑输出终端负载和电压波形。 i = l o 2 x 石0导通角 a f 4 b - 口- c 图3 - 2 电流波形的各分量与导通角的关系 由图3 2 可知，b 类放大器的奇次谐波分量是通过零点的，但是对于a b 类放 大器，三次谐波分量是不容忽视的。一般来说，对于幅度低于o 1 的谐波成分是造 成放大器弱非线性的重要来源，对放大器的整体非线性特性具有重要的作用【3 1 。 3 1 2 功率放大器的输出终端阻抗分析 由于晶体管的电流包括许多谐波分量，特别是二次谐波分量，因此分析和画 出在特定负载条件下的电压波形是一个重要问题。由于上节的分析是假设在所有 谐波阻抗都是短路的情况下，这样使问题变得简单，的确这是定义传统高效率功 率放大器的重要条件【7 】。但是对于现代的固态电路而言，这种假设就有点太理想化 了，大多数书做这样的假设理由有三个： 谐波短路，同时使基波分量负载阻抗为最佳值这种优化方法，在性能上与其它 多种非谐波短路的优化方法相近。 谐波短路在电子管功率放大器设计中相当容易实现，即使是k w 级功率放大器， 1 7 电子科技大学硕士学位论文 一个简单的并联谐振电路就可以实现谐波短路。 降低射频输出信号使其为正弦波的分析没有意义。 五= 吖0 编) z r - 0 ( 蕊，骗。) a 么一 一 场 i m “ 如 0 圪 o 图3 - 3 传统降低导通角模式的放大器 因此，我们将使用传统的简单化设计来分析传统工作类型的功率放大器，图 3 3 电路图是做进一步的分析，降低导通角的放大器的输出电流将流进基波并联谐 振电路和概念性的谐波短路回路。由于所有的谐波是短路，负载上没有谐波电压 成分，所以输出电压是一个正弦波，这个正弦波的幅度由负载阻抗决定。当选择 合适的负载阻抗时，输出的射频基波功率暑和直流供电功率匕为 p i - - 隽隽，p d c - 屹匕( 3 - 1 0 ) 定义效率： 1 8 汀 第三章射频a b 类功率放大器的1 线性分析 r = 子 ( 3 - 1 1 ) d c 功率附加效率： 刚e 二华( 3 - 1 2 ) 其中为射频输出电压的正弦波幅度，最为射频驱动功率。当射频功率增益小于 1 0 d b 时，对末级功放来说，在输出同样功率下射频驱动功率就需要增大，这样功 率附加效率就会减小。换句话说，功放设计者通常会选择增大增益的方法，如进 行窄带设计，利用正反馈技术，更好的封装技术等更加热门的技术来增大增益【8 1 。 功 + 5 d b 一5d b 2 x万0 4 斗爿口斗占斗c 导通角 图3 _ 4 功率和效率与导通角的关系 因此将式子( 3 5 ) 代入效率的定义式( 3 1 1 ) ，可以画出输出功率和效率与导 通角的曲线图3 4 ，图是假设在谐波短路和基波阻抗为最佳值时的关系图。假设在 理想条件下，即谐波终端完全短路，最大输出线性电流为k ，最大输出电压为2 吃 ( 见图3 3 ) ，射频输出电压的正弦波幅度为吃) ，不存在膝区效应，在这些条件下， 最佳负载阻抗为： 矿 = ，d c ( 3 1 3 ) d l 其中l 。为傅里叶基波电流，由之前分析可知，当驱动电压幅度增加到获得相同的 射频峰值电流l 。时，a 类放大器的l 。与b 类放大器的l ，相同。通常b 类放大器 的负载阻抗值等于负载线的特性阻抗值，但是理论上，对于a b 类放大器来说，负 载阻抗值应该稍微的减小，对于工作在a 类、b 类中点时的a b 类功放大约减小 1 0 ，以至于此时的基波幅度对比于a 类放大器的基波幅度有小量的增加。在实 1 9 电子科技大学硕+ 学位论文 际使用中，考虑到放大器的弱非线性效应和膝区效应，a b 类放大器的基波幅度比 a 类放大器的基波幅度会优化至少1 0 ，因此a b 类功率放大器在理论上的变化 往往被忽略。 从图3 _ 4 可以得到更多关于a b 类功率放大器的理论： 工作在a 类与b 类之间的射频输出功率中的基波功率基本上是不变的，稍微 大于a 类放大器零点几d b 。 b 类放大器与a 类放大器输送同样的功率，但是b 类直流供电功率比a 类放 大器的直流供电功率降低石2 倍，因此b 类功放的理想效率为7 r 4 。 c 类放大器的效率有明显增加，但是r f 输出功率大大减小了。 3 1 3 放大器i v 特性曲线中的“膝区 效应 在b j t 管和f e t 管的实际i v 特性曲线中，存在一个弯曲的区域，我们把这 个区域称为膝区。对于晶体管放大器而言，膝区电压是直流供电电压的大部分， 并且在利用便捷式供电系统的功放设计中，膝区电压效应起着重要的作用。 o ( 相对于v d s 而言) 。当圪是归一化到直流供电电压时，输出电流可以改写为： 帆斗e - ( 挚 仔 其中为漏极输出电压，同样是归一化到直流供电电压的。因此当y 凼= 圪时， 第三章射频a b 类功率放人器的非线性分析 l = v , g 。，蛳( 1 一p 叫) ( 3 - 1 5 ) 此时在膝区电压处的漏极电流是饱和电流的6 3 ( 兰坠生；三二：6 3 o 当圪是 k 一 1 归一化到直流供电电压时，圪= 0 1 是许多实际中的取值。例如供电电压为5 v 的m e s f e t 管和b j t 管，供电电压为2 8 v ，开启电压为4 v 的l d m o s 管。 因此放大器的输出电流是输入、输出电压的函数，并且输出电压的预测是一 个递归问题，但是这个问题可以通过规定输出电压的范围来克服，因此电流可以 通过跨导与漏极电压的乘积来计算，如式子( 3 1 4 ) 。 例如对于b 类放大器：虼= 0 ，屹= l ，圪= o 1 ，= l ，其中输出电压也是 归一化到直流供电电压吃的，可以得到输出电流和输出电压波形图3 6 。对比于没 有膝区效应时的理想波形图3 - 7 ，考虑膝区效应的放大器的射频输出功率和功率利 用率下降了，为了减弱这种下降，首先应该减小输出电压的幅度，使电流不可能 下降为0 ，即当虼= o ，圪= l ，圪- 0 1 ，v o l t = o 9 时，输出电流和电压的波形图 为3 8 。此时的射频输出功率比理想条件下的输出功率下降在l d b 以内，并且效率 与= 1 ( 图3 - 6 ) 中效率保持不变。实验证明，找到最佳输出电压值时，射 频输出功率只比理想状态时下降了l d b ，效率比理想状态下下降少于1 0 。 2 o 2 o 电压 电流 图3 - 6 饱和输出电压时的输出电流和电压波形图 图3 7 无膝区效应时的输出电流和电压波形 2 1 电压 电流 电子科技火学硕士学位论文 图3 8 输出电压降低1 0 时的输出电流和电压波形图 3 1 4 功率放大器的驱动信号分析 前面讲的都是传统的降低导通角放大器，已经知道传统的降低导通角放大器 具有一个明显的缺点：在使用相同放大器件时，其射频驱动信号要比线性a 类放 大器的驱动电压高，例如b