射频功放答辩答辩

1、射频功率放大器设计答辩人： 张斌专业： 电子信息工程指导教师：张媛媛第一部分：课题的研究背景以及新发展现状第二部分：基础理论知识第三部分：射频功率放大器的仿真及优化答辩流程第一部分射频功放的研究目的以及发展现状射频功放概述 顾名思义，射频功率放大器的主要功能是放大射频信号，它主要应用于各种无线电发射机中。电磁波在空气中传播的过程中能量会逐渐的衰减，并且会遇到各种阻碍，所以功率放大器就是将已调制的载波信号进行足够的功率放大，使得在距离天线一定的范围之内的接收机可以接收到信号，通过解调来获取准确的信息。射频功率放大器的输出功率范围，可以小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线电广播电台的几十千瓦，甚至兆

2、瓦级。射频功放的研究意义 射频功放主要应用于无线通信当中，最显著的表现就是无处不在的手机，它使人与人之间的联系更为密切也更加方便，使我们的社会变得更加的紧密，大大提升了世界的一体化进程，可以说手机已经成为我们生活中不可或缺的一部分了。因此射频功放的研究势在必行。发展现状 功率放大器发展至今，己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、线性和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军用领域：军用电台的语音和数据通信系统、雷达、导航、定位、遥控遥测等单

3、一或多功能作战平台民用领域：广播发射机、电视发射机、全球移动通信系统(GSM)、第三代移动通信系统(3G)、蓝牙(Bluetooth)、无线局域网(WLAN)第二部分射频功放的基础理论知识射频功放分类 根据功放场效应管的工作状态与输入信号周期相对比，可将功放分为以下几类：A类：在输入信号的整个周期内功放管都是完全导通的（理想）B类：功放管在处于导通的状态只有输入信号的半个周期C类：功放管在处于导通的状态小于输入信号的半个周期时A类B类C类性能指标功率增益：功率增益(G)表征的是功率放大器对信号的放大能力增益平坦度:增益平坦度(G)是指在相同的输入功率情况下功率放大的输出功率幅度随频率的变化而出

4、现波动的范围效率:为保证频带信号无失真地通过放大电路，要求其增益频率响应特性必须有与信号带宽相适应的平坦宽度噪声系数:噪声系数(NF)的定义是输入输出的信噪比之比取对数输入输出驻波比:输入输出驻波比(VSWR)表征的是在系统要求的阻抗下，功率放大器输入输出端口的阻抗匹配程度。三阶互调抑制:三阶互调抑制(IM3)是指在有两个频率间隔较近的载波互相调制而产生的互调产物中三阶分量相对于载波功率的比值偏置电路 功率放大器设计的第一步就是确定晶体管的静态直流工作点，偏置的作用是在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态工作点，并抑制晶体管的离散性以及温度变化的影响从而保持恒定的工作特性。 偏置网络不仅要

5、设定直流工作状态，还要通过高频扼流线圈和隔直电容确保直流偏置与射频信号相互隔离。222112212212111221222122111211SSSSKSSSSSS 为稳定性判别系数，只有当式中的3个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的匹配技术 匹配网络的用途在于当源阻抗和负载阻抗不匹配时，为了能使信号功率最大程度到达负载，通常做法是在源和负载之间插入一个无源网络，通过该网络使源阻抗和负载阻抗匹配。在实际设计射频功率放大器时，匹配网络的设计至关重要，他直接决定了功率放大器的好坏。负载牵引 对于功率放大器，总存在最大输出功率和与之对应的最佳输出阻抗。负载牵引就是利用AWR软件中自带的wizar

6、d脚本功能，得到输入输出匹配电路的端口阻抗值。功率分配 功率分配器是无源微波器件，用于功率分配或功率合成。在功率分配中，一个输入信号被耦合器分成两个（或多个）较小的功率信号。功率分配器最简单的形式是三端口网络，其必然满足三端口网络的一般规律。互易无耗三端口网络，各个端口不能同时匹配，也就是说，互易无耗的三端口网络实现功分，总是会引入额外的反射；要想没有反射，必须采用有耗的，或者非互易的三端口网络。第三部分射频功放的设计仿真以及优化要求场效应管：NXP_BLF6G21_10G微带基片：FR-4基板厚度1mm，介电常数4.4；参考指标：中心频率0.851GHz，带宽15%； 输出功率大于30dBm

7、； 增益20dB； 三阶互调小于-33dBc。CAPID=C3C=3 pFCAPID=C4C=1e7 pFCAPID=C5C=3 pFCAPID=C6C=1e7 pFDCVSID=V1V=28 VDCVSID=V2V=28 VINDID=L1L=1000 nHINDID=L2L=1000 nHINDID=L3L=1000 nHINDID=L4L=1000 nHMLINID=TL1W=1.85 mmL=5 mmMLINID=TL3W=1 mmL=3 mmMLINID=TL4W=1 mmL=2.384 mmMLINID=TL17W=1.222 mmL=8.1 mmMLINID=TL18W=1.3

8、mmL=8.255 mmMLINID=TL19W=2.147 mmL=7 mmMLINID=TL20W=1.222 mmL=8.1 mmMLINID=TL21W=1.3 mmL=8.255 mmMLINID=TL22W=2.2 mmL=7 mmMLINID=TL23W=1.85 mmL=5 mmMLINID=TL24W=1 mmL=3 mmMLINID=TL25W=1 mmL=2.384 mmMSUBEr=4.4H=1 mmT=0.01788 mmRho=1Tand=0.0035ErNom=3.48Name=SUB1123MTEE$ID=TL2123MTEE$ID=TL5123MTEE$ID=

9、TL7123MTEE$ID=TL26123MTEE$ID=TL27123MTEE$ID=TL28MTRACE2ID=X1W=1 mmL=50.24 mmBType=2M=1MTRACE2ID=X2W=WMTRACE2.X1 mmL=LMTRACE2.X1 mmBType=2M=1MTRACE2ID=X3W=1.86 mmL=23.34 mmBType=2M=1MTRACE2ID=X4W=WMTRACE2.X3 mmL=LMTRACE2.X3 mmBType=2M=1MTRACE2ID=X19W=1 mmL=50.24 mmBType=2M=1MTRACE2ID=X20W=WMTRACE2.X1

10、 mmL=LMTRACE2.X1 mmBType=2M=1MTRACE2ID=X21W=1.86 mmL=23.34 mmBType=2M=1MTRACE2ID=X22W=WMTRACE2.X3 mmL=LMTRACE2.X3 mmBType=2M=1RESID=R1R=82 OhmRESID=R4R=2200 OhmRESID=R5R=25800 OhmRESID=R6R=110 OhmRESID=R7R=2200 OhmRESID=R8R=25800 OhmRESID=R9R=110 OhmRESID=R10R=82 OhmCAPID=C1C=1e5 pFCAPID=C2C=2.67824

11、000228155 pFINDID=L5L=0.995033544529995 nHMLINID=TL6W=2.313 mmL=7 mmMLINID=TL8W=2.203 mmL=6.7 mmMLINID=TL9W=1.494 mmL=5.022 mm123MTEEID=TL10W1=9.556 mmW2=0.8016 mmW3=1.651 mmCAPID=C7C=1e5 pFCAPID=C8C=2.67824000228155 pFINDID=L6L=0.995033544529995 nHMLINID=TL11W=2.313 mmL=7 mmMLINID=TL12W=2.203 mmL=6

12、.7 mmMLINID=TL13W=1.494 mmL=5.022 mm123MTEEID=TL14W1=9.556 mmW2=0.8016 mmW3=1.651 mmCAPID=C9C=1e5 pFMLEFID=TL15W=d mmL=0 mmMLEFID=TL16W=d mmL=0 mmMLEFID=TL29W=d mmL=0 mmMLINID=TL30W=d mmL=5 mmMLINID=TL31W=d mmL=5 mm123MTEE$ID=TL32123MTEE$ID=TL33123MTEE$ID=TL34MTRACE2ID=X5W=d mmL=3.798 mmBType=2M=0MT

13、RACE2ID=X6W=d mmL=2.314 mmBType=2M=0MTRACE2ID=X7W=d mmL=8.349 mmBType=2M=0MTRACE2ID=X8W=d mmL=4.217 mmBType=2M=0MTRACE2ID=X9W=d mmL=10.56 mmBType=2M=0.6MTRACE2ID=X10W=d mmL=24.99 mmBType=2M=0MTRACE2ID=X11W=d mmL=2.07 mmBType=2M=0CAPID=C10C=1e5 pFMLEFID=TL35W=d mmL=0 mmMLEFID=TL36W=d mmL=0 mmMLEFID=T

14、L37W=d mmL=0 mmMLINID=TL38W=d mmL=5 mmMLINID=TL39W=d mmL=5 mm123MTEE$ID=TL40123MTEE$ID=TL41123MTEE$ID=TL42MTRACE2ID=X12W=d mmL=3.798 mmBType=2M=0MTRACE2ID=X13W=d mmL=2.314 mmBType=2M=0MTRACE2ID=X14W=d mmL=8.349 mmBType=2M=0MTRACE2ID=X15W=d mmL=4.217 mmBType=2M=0MTRACE2ID=X16W=d mmL=10.56 mmBType=2M=

15、0.6MTRACE2ID=X17W=d mmL=24.99 mmBType=2M=0MTRACE2ID=X18W=d mmL=2.07 mmBType=2M=0STACKUPName=SUB2EXTRACTID=EX1EM_Doc=EM_Extract_DocName=EM_ExtractSimulator=AXIEMX_Cell_Size=1 mmY_Cell_Size=1 mmSTACKUP=Override_Options=YesHierarchy=OffSweepVar_Names=GDST_ext1234SUBCKTID=S1NET=NXP_BLF6G21_10GDTA=0Zth_E

16、nable=1GDST_ext1234SUBCKTID=S3NET=NXP_BLF6G21_10GDTA=0Zth_Enable=1PORT1P=1Z=50 OhmPwr=5 dBmPORTP=2Z=50 Ohmd=2.141射频功率放大器原理图直流扫描S w pS t e pIVC U R VEID = IV1VS W E E P _ sta rt= 0 VVS W E E P _ sto p = 6 0 VVS W E E P _ ste p = 1 VVS T E P _ sta rt= -1 VVS T E P _ sto p = 2 .5 VVS T E P _ ste p = 0

17、.1 VGDST _ e x t1234S U B C K TID = S 1N E T = N XP _ B L F 6 G 2 1 _ 1 0 G D T A= 0Z th _ E n a b le = 1 对本次功放设计中的场效应管（NXP_BLF6G21_10G）进行直流扫描，以确定静态工作点0204060Voltage (V)Iv curve-1000100200300400500p36p35p34p33p32p31p30p29p28p27p26p25p24p23p22p21p20p19p18p17p16p15p14p13p12p11p10p9p8p7p6p5p4p3p2p117.6

18、1 V100.9 mAIVCurve() (mA)Iv curve.AP_DCp1: Vstep = -1 Vp2: Vstep = -0.9 Vp3: Vstep = -0.8 Vp4: Vstep = -0.7 Vp5: Vstep = -0.6 Vp6: Vstep = -0.5 Vp7: Vstep = -0.4 Vp8: Vstep = -0.3 Vp9: Vstep = -0.2 Vp10: Vstep = -0.1 Vp11: Vstep = 0 Vp12: Vstep = 0.1 Vp13: Vstep = 0.2 Vp14: Vstep = 0.3 Vp15: Vstep =

19、 0.4 Vp16: Vstep = 0.5 Vp17: Vstep = 0.6 Vp18: Vstep = 0.7 Vp19: Vstep = 0.8 Vp20: Vstep = 0.9 Vp21: Vstep = 1 Vp22: Vstep = 1.1 Vp23: Vstep = 1.2 Vp24: Vstep = 1.3 Vp25: Vstep = 1.4 Vp26: Vstep = 1.5 Vp27: Vstep = 1.6 Vp28: Vstep = 1.7 Vp29: Vstep = 1.8 Vp30: Vstep = 1.9 Vp31: Vstep = 2 Vp32: Vstep

20、 = 2.1 Vp33: Vstep = 2.2 Vp34: Vstep = 2.3 Vp35: Vstep = 2.4 Vp36: Vstep = 2.5 V偏置电路对放大器采用合适的偏置是为了对其提供合适的静态工作点，使功放管保持一个比较稳定的工作状态，并且要使静态工作点要相对稳定，不受环境温度或功放管的工作状态变化而变化，也不能影响功放管的噪声或增益。CA PID= C1C= 1e5 pFCA PID= C3C= 1e7 pFCA PID= C4C= 4.28 pFDCVSID= V 2V= 28 VM LINID= T L1W = 1.4 m mL= 5 m mM LINID= T L

21、2W = 1.4 m mL= 5 m mM LINID= T L3W = 1.222 m mL= 8.1 m mM LINID= T L4W = 1.3 m mL= 8.1 m mM SUBEr= 4.4H= 1 m mT = 0.000254 m mRho= 1T and= 0.002ErNom = 4.4Nam e= SUB 1RE SID= R1R= 1 O hmRE SID= R4R= 2.58e4 O hmGDST _ e x t1234SUBCKTID= S 1NE T = NXP_B LF 6G 21_10G DT A= 0Z th_E nable= 1SUBCKTID= S 2

22、NE T = E RJ3G EYJ101SUBCKTID= S 3NE T = E RJ3G EYJ222SUBCKTID= S 4NE T = CIG 21W 1R0M NSUBCKTID= S 5NE T = CIG 21W 1R0M NSUBCKTID= S 6NE T = CL21A105K ACLNNPO RTP= 1Z = 50 O hmPO RTP= 2Z = 50 O hm0.40.60.811.21.4F requency (G Hz)bias00.511.522.53B1()bias.APK()bias.AP基本符合K值大于0，B值小于1的要求负载牵引DCVSID=V1V=

23、17.9 VDCVSID=V3V=2.2 VI_METERID=AMP13:Bias12LTUNER2ID=TU1Mag=0.5Ang=0 DegZo=50 Ohm3:Bias12LTUNER2ID=TU2Mag=0.5Ang=0 DegZo=50 OhmV_METERID=VM1V_METERID=VM2GDST_ext1234SUBCKTID=S1NET=NXP_BLF6G21_10GDTA=0Zth_Enable=1PORT1P=1Z=50 OhmPw r=5 dBmPORTP=2Z=50 Ohm 先做放大器输出级的负载牵引，对输出功率进行负载牵引，再做源牵引。从圆图中，我们可以看出：当

24、时，输出功率达到最大，因此我们做匹配网络时就对照着这个阻抗值进行匹配。outZ=5.7+j14.6dB（12.29）inZ =1.81+j6.57dB（14.43）输入匹配网络CAPID=C1C=1e5 pFM LEFID=TL5W=d mmL=0 mmM LEFID=TL6W=d mmL=0 mmM LEFID=TL8W=d mmL=0 mmM LINID=TL1W=d mmL=5 mmM LINID=TL4W=d mmL=5 mmM SUBEr=4.4H=1 mmT=0.01 mmRho=1Tand=0.0018ErNom=4.4Name=SUB1123M TEE$ID=TL2123M T

25、EE$ID=TL3123M TEE$ID=TL7M TRACE2ID=X1W=d mmL=3.798 mmBType=2M =0M TRACE2ID=X2W=d mmL=2.314 mmBType=2M =0M TRACE2ID=X3W=d mmL=8.349 mmBType=2M =0M TRACE2ID=X4W=d mmL=4.217 mmBType=2M =0M TRACE2ID=X5W=d mmL=10.56 mmBType=2M =0.6M TRACE2ID=X6W=d mmL=24.99 mmBType=2M =0M TRACE2ID=X7W=d mmL=2.07 mmBType=

26、2M =0RESID=R1R=2 O hmPO RTP=1Z=50 O hmPO RTP=2Z=1.8175j+6.57 O hmd=2.141使输入信号功率最大程度的到达负载0.40.60.811.21.4Frequency (GHz)in match-40-30-20-100D B (|S (1,1)|)in m atch.APD B (|S (2,1)|)in m atch.AP输出匹配网络CAPID =C1C=1e5 pFCAPID =C2C=2.678 pFIN DID =L1L=0.995 nHM LINID =TL1W=2.313 m mL=7 m mM LINID =TL2W=

27、2.203 m mL=6.7 m mM LINID =TL4W=1.494 m mL=5.022 m mM SUBE r=4.47H=1 m mT=0.035 m mRho=1Tand=0.001E rN om =4.47Nam e=SUB1123M TE EID =TL3W1=9.556 m mW2=0.8016 m mW3=1.651 m mP OR TP =1Z=5.2j+15.2 OhmP OR TP =2Z=50 Ohm0.40.60.811.21.4Frequency (GHz)out match-50-40-30-20-100DB(|S(1,1)|)out match.APDB(

28、|S(2,1)|)out match.AP功分器ML INID =T L1W =1 .8 5 m mL =5 m mML INID =T L3W =1 m mL =3 m mML INID =T L4W =1 m mL =2 .3 8 4 m mMS U BE r=4 .4H =1 m mT =0 .0 1 78 8 m mR h o =1T a n d=0 .0 0 35E rN o m =3.48N a m e =S U B 1123MT E E $ID =T L2123MT E E $ID =T L5123MT E E $ID =T L7MT R A C E 2ID =X 1W =1 m

29、 mL =5 0 .2 4 m mB T ype =2M=1MT R A C E 2ID =X 2W =W MT R A C E 2 .X 1 m mL =L MT R A C E 2 .X 1 m mB T ype =2M=1MT R A C E 2ID =X 3W =1 .8 6 m mL =2 3 .3 4 m mB T ype =2M=1MT R A C E 2ID =X 4W =W MT R A C E 2 .X 3 m mL =L MT R A C E 2 .X 3 m mB T ype =2M=1R E SID =R 1R =8 2 Oh mP OR TP =1Z=5 0 Ohm

30、P OR TP =2Z=5 0 OhmP OR TP =3Z=5 0 Ohm将输入信号一分为二，最大程度减小信号在功放中的损耗，最后将信号合成、还原0.40.60.811.21.4Frequency (GHz)power divider-40-30-20-1000.9968 GHz-3.129 dB0.8502 GHz-3.095 dB0.9 GHz-30.93 dB0.9026 GHz-25.98 dBDB(|S(1,1)|)power divider.APDB(|S(2,1)|)power divider.APDB(|S(3,1)|)power divider.APDB(|S(3,2)|)

31、power divider.APM LINID= T L1W= 1.85 m mL= 5 m mM LINID= T L3W= 1 m mL= 3 m mM LINID= T L4W= 1 m mL= 2.384 m m123M T EE$ID= T L2123M T EE$ID= T L5123M T EE$ID= T L7M T RACE2ID= X1W= 1 m mL= 50.24 m mBT ype= 2M = 1M T RACE2ID= X2W= W M T RACE2.X1 m mL= L M T RACE2.X1 m mBT ype= 2M = 1M T RACE2ID= X4W

32、= W M T RACE2.X3 m mL= L M T RACE2.X3 m mBT ype= 2M = 1RESID= R1R= 82 O hmINDID= L1L= 1000 nHM LINID= T L17W= 1.222 m mL= 8.1 m mRESID= R4R= 2200 O hmRESID= R5R= 25800 O hmRESID= R6R= 110 O hmM LINID= T L18W= 1.3 m mL= 8.255 m mINDID= L2L= 1000 nHM LINID= T L19W= 2.147 m mL= 7 m mCAPID= C3C= 3 pFCAP

33、ID= C4C= 1e7 pFDCVSID= V1V= 28 VM LINID= T L23W= 1.85 m mL= 5 m mM LINID= T L24W= 1 m mL= 3 m mM LINID= T L25W= 1 m mL= 2.384 m m123M T EE$ID= T L26123M T EE$ID= T L27123M T EE$ID= T L28M T RACE2ID= X19W= 1 m mL= 50.24 m mBT ype= 2M = 1M T RACE2ID= X20W= W M T RACE2.X1 m mL= L M T RACE2.X1 m mBT ype=