射頻功率放大器介紹綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u7704射頻功率放大器介紹綜述 1143631.1射頻功率放大器的技術(shù)指標(biāo) 1249411.1.1工作頻帶 1251161.1.2輸出功率 25271.1.3功率增益 3134131.1.4效率 3159421.1.5穩(wěn)定性分析 4306331.1.6非線性分析 4228731.1.7增益平坦度 545921.2射頻功率放大器的分類 5311391.3CMOS功率放大器 7201781.4LDMOS功率放大器 8103371.5射頻功率放大器的分析方法 8射頻功率放大器的應(yīng)用日漸廣泛，下文將從它的技術(shù)指標(biāo)和分類方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。射頻功率放大器的技術(shù)指標(biāo)射頻功率放大器通常具有指定的工作頻率和效率，并且在某一頻帶內(nèi)工作。它的主要技術(shù)指標(biāo)有：工作頻帶射頻功率放大器的帶寬表達(dá)式為：（2-1）相對(duì)帶寬表達(dá)式為：（2-2）其中為上限頻率，為下限頻率，為中心頻率ADDINNE.Ref.{4523797C-98E8-45A3-8746-175A6656B494}[7]。輸出功率圖2-1輸入功率和輸出功率的關(guān)系圖射頻功率放大器的輸出功率可以表示為和，前者可以理解為為一分貝壓縮點(diǎn)輸出功率，后者為飽和輸出功率。由圖2-1可見，為飽和輸出功率，字面意思為為達(dá)到飽和狀態(tài)的輸出功率，即當(dāng)輸入功率不再增加且狀態(tài)慢慢變得平緩時(shí)，此時(shí)查看它的輸出功率的值這個(gè)值就是飽和輸出功率，指輸出功率減去輸入功率為1dB時(shí)的輸出功率ADDINNE.Ref.{3DF434AC-30B0-487E-A548-C57CDDCC1995}[8]。功率增益圖2-2為功率放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖它擁有如下幾個(gè)部分：信號(hào)源，輸入匹配電路，晶體管，輸出匹配電路和負(fù)載。在電路圖中為消耗在負(fù)載上的功率為功率放大器的輸出功率為功率放大器的資用功率為信號(hào)源上的資用功率ADDINNE.Ref.{F20DA0DF-6BD4-403E-B28A-8C6710BC828E}[9]。圖2-2功率放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（1）實(shí)際功率增益：（2-3）資用功率增益：（2-4）（3）轉(zhuǎn)換功率增益：（2-5）效率功率放大器的效率中為漏端輸出功率為直流功率為輸入功率漏端效率表示為：（2-6）為放大器損耗功率，越小漏端效率越大，由于漏端效率未考慮輸入功率所以無法很好的判斷放大器的效率大小。功率附加效率表示為：（2-7）它表示輸入功率輸出功率和效率的關(guān)系，當(dāng)不變?cè)酱笮试酱?。穩(wěn)定性分析功率放大器的穩(wěn)定是功率放大器正常工作的關(guān)鍵，具有穩(wěn)定的輸出功率可以防止信號(hào)失真，有助于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析和理解。在S參數(shù)的有源二端口網(wǎng)絡(luò)中，穩(wěn)定性有條件穩(wěn)定和絕對(duì)穩(wěn)定兩種，其穩(wěn)定性因子K表示為：（2-8）其中，當(dāng)，時(shí)，為條件穩(wěn)定。非線性分析非線性指的是放大器在失真時(shí)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，它可分為諧波失真和互調(diào)失真圖2-3功率放大器互調(diào)失真系數(shù)諧波失真：電路的輸出端，諧波信號(hào)未能很好的被控制，使得設(shè)計(jì)者需要的電壓或電流信號(hào)被干擾出現(xiàn)失真，互調(diào)失真：在輸入端輸入兩個(gè)信號(hào)，輸出端會(huì)出現(xiàn)輸入信號(hào)的各種和差的組合，若出現(xiàn)失真即為互調(diào)失真，更多時(shí)候只考慮他三階狀態(tài)下的失真。假設(shè)互調(diào)信號(hào)功率，主頻率信號(hào)功率可得（2-9）增益平坦度只在一定溫度下，整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)放大器增益變化的表達(dá)式：（2-10）其中和分別是頻帶增益的最大值和最小值A(chǔ)DDINNE.Ref.{76F11B6B-4FE0-49B0-A97A-FD167FEDB6B3}[10]。射頻功率放大器的分類射頻功率放大器有許多種類，如今中國推行5G信號(hào)，鑒于中國土地遼闊，人口密度分布極度不均，建造信號(hào)基站再合適不過了，因此當(dāng)下高帶寬小體積高效率的射頻功率放大器更受歡迎。射頻功率放大器的頻率沒有特定的范圍，它可以是幾百Hz也可以是幾千Hz，它的種類有開關(guān)類和偏置類，其中F類與逆F類射頻功率放大器屬于開關(guān)類，其他則屬于偏置類。圖2-4射頻功放的電壓電流關(guān)系曲線圖如圖2-4所示，A類放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)處，可以觀測(cè)出完整連續(xù)的輸入輸出波形具有良好的線性度，前提是輸入功率較小，它在理想狀態(tài)下效率可以達(dá)到50%，效率較低。B類放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)在A點(diǎn)之下，它在理想狀態(tài)下效率可以達(dá)到78.5%，效率較高，但是由于更高次諧波的存在，影響了它的線性度。C類功率放大器正常的工作位置處于截止區(qū)，理想工作效率為100%，在實(shí)際中通常需要降低它的工作效率以滿足輸出功率的需要。圖2-5理想F類PA的半正弦波電流波形和方波電壓波形圖2-6理想逆F類PA的半正弦波電壓波形和方波電流波形D類功率放大器的效率理論可達(dá)100%，理想輸出波形為方波的電壓波和半正弦波的電流波，由于其兩個(gè)有源晶體管無法完全等效為兩個(gè)理想的開關(guān)，所以無法達(dá)到理想狀態(tài)。E類功率放大器的一個(gè)有源晶體管類似于一個(gè)占空比為50%的開關(guān)，通過在輸出端加濾波和匹配網(wǎng)絡(luò)降低損耗，提高效率。F類功率放大器偏置在B類工作點(diǎn)附近，采用E類開關(guān)模式工作，利用諧波分量提高效率降低損耗，實(shí)現(xiàn)如圖2-8所示，輸出波形為方波的電壓波和半正弦波的電流波，而逆F類射頻功率放大器則是通過調(diào)整諧振網(wǎng)絡(luò)獲得如圖2-9所示，輸出波形為方波的電流波和半正弦波的電壓波。CMOS功率放大器CMOS又被稱為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，它是一種芯片且專門用來存放數(shù)據(jù)，它由電壓控制。射頻功率放大器通常以效率和輸出功率為指標(biāo),它通常有中間級(jí)，功率放大級(jí)等。它通常作用在天線中，目的是提高功率以將信號(hào)發(fā)射出去，同時(shí)其諧波信號(hào)要夠小不對(duì)其他信道造成干擾。SiCMOS技術(shù)使得射頻集成電路成為可能，可以極大地縮小電路體積，開放了廣闊的市場(chǎng)。同時(shí)射頻電路的各項(xiàng)性能指標(biāo)如功率附加效率，功率增益，輸入輸出功率，帶寬等等難以同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。例如，線性度的提高會(huì)使得功率附加效率的降低，同時(shí)會(huì)消耗直流功率。圖2-7CMOS晶體管示意圖功率放大器是信號(hào)收發(fā)端的末端器件，在設(shè)計(jì)CMOS功放時(shí)有時(shí)可采用巴倫設(shè)計(jì)，巴倫是指平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，單端信號(hào)在經(jīng)過某些電路時(shí)可以變成差分信號(hào)，如巴倫電路。巴倫有電感的阻斷交流作用，也有電容的隔離直流作用。因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以大大縮小系統(tǒng)的體積，有助于CMOS功率放大器的開發(fā)。在進(jìn)行CMOS功放的電路設(shè)計(jì)的時(shí)候通常需要進(jìn)行以下幾個(gè)部分的設(shè)計(jì)：輸入匹配，驅(qū)動(dòng)級(jí)，級(jí)間匹配，功放級(jí)，輸出級(jí)。LDMOS功率放大器LDMOS晶體管又被稱為橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體，由于適合高壓環(huán)境以及功率控制環(huán)境常用于高壓集成電路和射頻電路中。LDMOS晶體管可以與CMOS晶體管兼容且在一些關(guān)鍵器件性能參數(shù)方面擁有許多優(yōu)勢(shì)。圖2-8LDMOS晶體管示意圖射頻功率放大器的分析方法射頻功率放大器有很多種分析方法，有針對(duì)輸入輸出端口反射系數(shù)和傳輸系數(shù)的小信號(hào)分析和大信號(hào)分析，根據(jù)晶體管的輸入輸出回波損耗以及隔離增益系數(shù)可以進(jìn)行小信號(hào)散射參數(shù)分析，而大信號(hào)分析由于輸入電平的變化導(dǎo)致S參數(shù)不斷變化，需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬匹配輸入輸出電路，獲得S參數(shù)后再進(jìn)行阻抗設(shè)計(jì)。還有動(dòng)態(tài)阻抗設(shè)計(jì)法，這種設(shè)計(jì)方法需要計(jì)算機(jī)不斷進(jìn)行電路調(diào)試通過改變電路參數(shù)獲得最佳負(fù)載線，和獲得要求的效率和功率，再根據(jù)得到的輸出阻抗進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)電路，由于太過復(fù)雜，不太適合運(yùn)用。通常設(shè)計(jì)功率放大器會(huì)使用到負(fù)載牽引法，這種方法通過計(jì)算機(jī)仿真軟件將不同的負(fù)載接到晶體管的輸出端，設(shè)定輸入信號(hào)通過仿真在史密斯圓圖上找出此輸出功率下的最大功率附加效率并記下負(fù)載阻抗，然后重復(fù)上述操作，接著畫出有關(guān)等功率附加效率曲線圖然后找出最