射频功率放大器(RF-PA)概述

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1、基本概念 射频功率放大器(RF P）是发射系统中的重要部分，其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要通过一系列的放大(缓冲级、中间放大级、末级功率放大级)获得足够的射频功率后来，才干馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率,必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后，射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。放大器的功能,即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容,我们称之为“信号”，往往表达为电压或功率。对于放大器这样一种“系统”来说，它的“贡 献”就是将其所“吸取”的东西提高一定的水平,并向外界“

2、输出”。如果放大器可以有好的性能,那么它就可以奉献更多,这才体现出它自身的“价值”。如果放大器存在着一定的问题,那么在开始工作或者工作了一段时间之后，不仅不能再提供任 何“奉献”,反而有也许浮现某些不期然的“震荡”，这种“震荡”对于外界还是放大器自身,都是劫难性的。 射频功率放大器的重要技术指标是输出功率与效率，如何提高输出功率和效率,是射频功率放大器设计目的的核心。一般在射频功率放大器中，可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波，实现不失真放大。除此之外，输出中的谐波分量还应当尽量地小,以避免对其她频道产生干扰。分类根据工作状态的不同,功率放大器分类如下：老式线性功率放大器的工作频率很高，但相对

3、频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲 （A）、乙(B）、丙(C)三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360，合用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于0,丙类放大器电流的导通角则不不小于10。乙类和丙类都合用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。开关型功率放大器（Swching Moe ,SMP）,使电子器件工作于开

4、关状态，常用的有丁（D)类放大器和戊(）类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。SA将有源晶体管驱动为开关模式,晶体管的工作状态要么是开，要么是关,其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，因此是直流功耗为零,抱负的效率能达到10%。老式线性功率放大器具有较高的增益和线性度但效率低，而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率，但线性度差。具体见下表:电路构成放大器有不同类型,简化之，放大器的电路可以由如下几种部分构成:晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。 、晶体管晶体管有诸多种，涉及目前尚有多种构造的晶体管被发明出来。本质上，晶体管的工作都是体现为一种受控的电流源或电压源，其工作机制是将

5、不含内容的直流的能量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界获得，晶体管加以消耗,并转化成有用的成分。不同的晶体管不同的“能力”,例如其承受功率的能力有区别,这也是由于其能获取的直流能量的能力不同所致；例如其反映速度不同，这决定它能工作在多宽多高的频带上；例如其面向输入、输出端的阻抗不同，及对外的反映能力不同,这决定了给它匹配的难易限度。 2、偏置电路及稳定电路 偏置和稳定电路是两种不同的电路，但由于她们往往很难辨别，且设计目的趋同,因此可以放在一起讨论。晶体管的工作需要在一定的偏置条件下，我们称之为静态工作点。这是晶体管立足的主线，是它自身的“定位”。每个晶体管都给自己进行了一定的定位，其定

6、位不同将决定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在着不同的性能体现。有些定位点上起伏较小,适合于小信号工作;有些定位点上起伏较大,适合于大功率输出；有些定位点上索取较少,释放纯正，适合于低噪声工作;有些定位点，晶体管总是在饱和和截至之间徘徊,处在开关状态。一种恰当的偏置点,是正常工作的础。在设计宽带功率放大器时，或工作频率较高时，偏置电路对电路性能影响较大，此时应把偏置电路作为匹配电路的一部分考虑。偏置网络有两大类型,无源网络和有源网络。无源网络(即自偏置网络）一般由电阻网络构成，为晶体管提供合适的工作电压和电流。它的重要缺陷是对晶体管的参数变化十分敏感，并且温度稳定性较差。有源偏置网络能改

7、善静态工作点的稳定性，还能提高良好的温度稳定性，但它也存在某些问题,如增长了电路尺寸、增长了电路排版的难度以及增长了功率消耗。稳定电路一定要在匹配电路之前，由于晶体管需要将稳定电路作为自身的一部分存在,再与外界接触。在外界看来,加上稳定电路的晶体管,是一种“全新的”晶体管。它做出一定的“牺牲”，获得了稳定性。稳定电路的机制可以保证晶体管顺利而稳定的运转。 3、输入输出匹配电路 匹配电路的目的是在选择一种接受的方式。对于那些想提供更大增益的晶体管来说，其途径是全盘的接受和输出。这意味着通过匹配电路这一种接口,不同的晶体管之间沟通更加顺畅，对于不同种的放大器类型来说，匹配电路并不是只有“全盘接受”

8、一种设计措施。某些直流小、根基浅的小型管,更乐旨在接受的时候做一定的阻挡，来获取更好的噪声性能，然而不能阻挡过了头,否则会影响其奉献。而对于某些巨型功率管，则需要在输出时谨小慎微,由于她们更不稳定，同步,一定的保存有助于她们发挥出更多的“不扭曲的”能量。 典型的阻抗匹配网络有L匹配、形匹配和T形匹配。其中L匹配，其特点就是构造简朴且只有两个自由度和C。一旦拟定了阻抗变换比率和谐振频率,网络的Q值(带宽)也就拟定了。形匹配网络的一种长处就是不管什么样的寄生电容，只要连接到它,都可以被吸到网络中,这也导致了 形匹配网络的普遍应用，由于在诸多的实际状况中,占支配地位的寄生元件是电容。T形匹配，当电源

9、端和负载端的寄生参数重要呈电感性质时，可用T形匹配来把这些寄生参数吸取入网络。保证射频P稳定的实现方式 每一种晶体管都是潜在不稳定的。好的稳定电路可以和晶体管融合在一起,形成一种“可持续工作”的模式。稳定电路的实现方式可划分为两种:窄带的和宽带的。 窄带的稳定电路是进行一定的增益消耗。这种稳定电路是通过增长一定的消耗电路和选择性电路实现的。这种电路使得晶体管只能在很小的一种频率范畴内奉献。此外一种宽带的稳定是引入负反馈。这种电路可以在一种很宽的范畴内工作。 不稳定的本源是正反馈,窄带稳定思路是遏制一部分正反馈,固然,这也同步克制了奉献。而负反馈做得好,尚有产生诸多额外的令人欣喜的长处。例如,负

10、反馈也许会使晶体管免于匹配，既不需要匹配就可以与外界较好的接洽了。此外，负反馈的引入会提高晶体管的线性性能。射频A的效率提高技术 晶体管的效率均有一种理论上的极限。这个极限随偏置点（静态工作点)的选择不同而不同。此外，外围电路设计得不好,也会大大减少其效率。目前工程师们对于效率提高的措施不多。这里仅讲两种:包络跟踪技术与Dohery技术。 包络跟踪技术的实质是：将输入分离为两种：相位和包络，再由不同的放大电路来分别放大。这样，两个放大器之间可以专注的负责其各自的部分，两者配合可以达到更高的效率运用的目的。Dry技术的实质是:采用两只同类的晶体管,在小输入时仅一种工作,且工作在高效状态。如果输入

11、增大,则两个晶体管同步工作。这种措施实现的基本是二只晶体管要配合默契。一种晶体管的工作状态会直接的决定了另一支的工作效率。射频PA面临的测试挑战 功率放大器是无线通信系统中非常重要的组件,但她们自身是非线性的,因而会导致频谱增生现象而干扰到邻近通道,并且也许违背法令强制规定的带外(out-o-and）放射原则。这个特性甚至会导致带内失真，使得通信系统的误码率(BER）增长、数据传播速率减少。 在峰值平均功率比（PPR)下,新的D传播格式会有更多偶发的峰值功率,使得P不易被分割。这将减少频谱屏蔽相符性，并扩大整个波形的EVM及增长BE。为理解决这个问题,设计工程师一般会刻意减少PA的操作功率。很

12、可惜的,这是非常没有效率的措施,由于P减少10的操作功率，会损失掉90%的DC功率。 现今大部分的RF A皆支持多种模式、频率范畴及调制模式,使得测试项目变得更多。数以千计的测试项目已不稀奇。波峰因子消减(CF）、数字预失真(DPD）及包络跟踪()等新技术的运用,有助于将A效能及功率效率优化，但这些技术只会使得测试更加复杂,并且大幅延长设计及测试时间。增长R A的带宽,将导致DPD测量所需的带宽增长5倍(也许超过1 GHz),导致测试复杂性进一步升高。依趋势来看,为了增长效率，RF PA组件及前端模块（EM)将更紧密整合,而单一M则将支持更广泛的频段及调制模式。将包络跟踪电源供应器或调制器整合

13、入FE,可有效地减少移动设备内部的整体空间需求。为了支持更大的操作频率范畴而大量增长滤波器/双工器插槽,会使得移动设备的复杂度和测试项目的数量节节攀升。半导体材料的变迁：e(锗)、Si(硅)Ga(砷化镓)、I(磷化铟)Si(碳化硅)、Ga(氮化镓)、 SiGe(锗化硅）、OI(绝缘层上覆硅） 碳纳米管(CNT) 石墨烯(rapene）。目前功率放大器的主流工艺仍然是as工艺。此外，aAs HBT，砷化镓异质结双极晶体管。其中HT（hetojuntion bplr trnsistor，异质结双极晶体管）是一种由砷化镓(GaAs)层和铝镓砷(lGaAs)层构成的双极晶体管。C工艺虽然已经比较成熟，

14、但Si CMOS功率放大器的应用并不广泛。成本方面，CMOS工艺的硅晶圆虽然比较便宜,但CMOS功放幅员面积比较大，再加上MS PA复杂的设计所投入的研发成本较高,使得OS功放整体的成本优势并不那么明显。性能方面，MOS功率放大器在线性度，输出功率,效率等方面的性能较差，再加上MO工艺固有的缺陷:膝点电压较高、击穿电压较低、CMOS工艺基片衬底的电阻率较低。碳纳米管(CNT）由于具有物理尺寸小、电子迁移率高,电流密度大和本征电容低等特点，人们觉得是纳米电子器件的抱负材料。零禁带半导体材料石墨烯,由于具有很高的电子迁移速率、纳米数量级的物理尺寸、优秀的电性能以及机械性能,必将成为下一代射频芯片的

15、热门材料。射频P的线性化技术 射频功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量，如对于二阶失真会产生二次谐波和双音拍频,对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。这些新的频率分量如落在通带内,将会对发射的信号导致直接干扰，如果落在通带外将会干扰其她频道的信号。为此要对射频功率放大器的进行线性化解决，这样可以较好地解决信号的频谱再生问题。射频功放基本线性化技术的原理与措施不外乎是以输入RF信号包络的振幅和相位作为参照,与输出信号比较，进而产生合适的校正。目前己经提出并得到广泛应用的功率放大器线性化技术涉及，功率回退,负反馈,前馈,预失真,包络消除与恢复（EER)，运用非线性元件进行线性放大(LIN)

16、 。较复杂的线性化技术，如前馈,预失真,包络消除与恢复,使用非线性元件进行线性放大,它们对放大器线性度的改善效果比较好。而实现比较容易的线性化技术,例如功率回退，负反馈,这几种技术对线性度的改善就比较有限。1、功率回退 这是最常用的措施，即选用功率较大的管子作小功率管使用,事实上是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度。 功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1压缩点(放大器有一种线性动态范畴，在这个范畴内,放大器的输出功率随输入功率线性增长。随着输入功率的继续增大，放大器徐徐进入饱和区,功率增益开始下降，一般把增益下降到比线性增益低d时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1d表达。)向后

17、回退6-10个分贝,工作在远不不小于dB压缩点的电平上,使功率放大器远离饱和区,进入线性工作区,从而改善功率放大器的三阶交调系数。一般状况,当基波功率减少1B时,三阶交调失真改善dB。 功率回退法简朴且易实现,不需要增长任何附加设备，是改善放大器线性度行之有效的措施,缺陷是效率大为减少。此外,当功率回退到一定限度,当三阶交调制达到0dc如下时,继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度规定很高的场合,完全靠功率回退是不够的。、预失真 预失真就是在功率放大器前增长一种非线性电路用以补偿功率放大器的非线性失真。预失真线性化技术，它的长处在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带,可以解决含多载波

18、的信号。预失真技术成本较低,由几种仔细选用的元件封装成单一模块,连在信号源与功放之间，就构成预失真线性功放。手持移动台中的功放已采用了预失真技术，它仅用少量的元件就减少了互调产物几dB,但却是很核心的几dB。预失真技术分为F预失真和数字基带预失真两种基本类型。预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路构造简朴、成本低、易于高频、宽带应用等长处，缺陷是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。数字基带预失真由于工作频率低,可以用数字电路实现,适应性强,并且可以通过增长采样频率和增大量化阶数的措施来抵消高阶互调失真，是一种很有发展前程的措施。这种预失真器由一种矢量增益调节器构成，根据查找表（LT)

19、的内容来控制输入信号的幅度和相位，预失真的大小由查找表的输入来控制。矢量增益调节器一旦被优化,将提供一种与功放相反的非线性特性。抱负状况下，这时输出的互调产物应当与双音信号通过功放的输出幅度相等而相位相反,即自适应调节模块就是要调节查找表的输入，从而使输入信号与功放输出信号的差别最小。注意到输入信号的包络也是查找表的一种输入,反馈途径来取样功放的失真输出,然后通过A/变换送入自适应调节S中，进而来更新查找表。3、前馈 前馈技术来源于反馈，应当说它并不是什么新技术,早在二三十年代就由美国贝尔实验室提出来的。除了校准(反馈）是加于输出之外,概念上完全是反馈。前馈线性放大器通过耦合器、衰减器、合成器

20、、延时线、功分器等构成两个环路。射频信号输入后,经功分器提成两路。一路进入主功率放大器，由于其非线性失真,输出端除了有需要放大的主频信号外，尚有三阶交调干扰。从主功放的输出中耦合一部分信号,通过环路抵消放大器的主载频信号，使其只剩余反相的三阶交调分量。三阶交调分量经辅助放大器放大后，通过环路2抵消主放大器非线性产生的交调分量，从而了改善功放的线性度。 前馈技术既提供了较高校准精度的长处,又没有不稳定和带宽受限的缺陷。固然，这些长处是用高成本换来的，由于在输出校准，功率电平较大,校准信号需放大到较高的功率电平,这就需要额外的辅助放大器,并且规定这个辅助放大器自身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。前馈功放的抵消规定是很高的,需获得幅度、相位和时延的匹配,如果浮现功率变化、温度变化及器件老化等均会导致抵消失灵。为此，在系统中考虑自适应抵消技术,使抵消可以跟得上内外环境的变化。