电子科大毕业论文—短波高线性射频功率放大器 - 图文

第3章 射频功率放大器设计原理

第3章 射频功率放大器设计原理

射频功率放大器设计同时包括提供准确的有源器件建模、有效的阻抗匹配（依赖于技术要求和工作条件）、工作的稳定性并易于实现等。功放设计品质的评估是在稳定工作条件下，不管线性度要求或高的效率下，使放大器级数最少的情况下，实现的最大功率增益。为了稳定工作就必须计算有源器件潜在不稳定工作的领域；为了避免寄生振荡，就必须讨论不同频率范围（从低频到靠近器件的特征频率）的稳定电路技术。下面先给出一个常规的放大器系统，在后面将逐步对其进行阐述。

图3-1 常规放大器系统

3.1射频功率放大器主要技术指标

由前面所述，我们知道射频功率放大器设计需要对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题进行综合考虑。而射频功放的主要技术指标就是指的输出功率和效率，这是研究射频功率放大器的关键。而对功率晶体管的要求，主要是考虑击穿电压、最大集电极电流和最大管耗等参数。为了实现有效的能量传输，天线和放大器之间需要采用阻抗匹配网络。 3.1.1输出功率(Output Power)

在发射系统中，射频末级功率放大器输出功率范围可小至毫瓦级（便携式移动通信设备）、大至数千瓦级（发射广播电台。为了有效地表示功率电平的大小，最好的方法就是用dB来作为功率的单位。它的定义是信号功率与参考功率比值的对数，即

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dB?20lg(u2P)?10lg(2) （3-1） u1P1上式中，P1、P2、u1、u2是进行比较的功率和电压。反之，如果给出dB，可以利用指数求出比值：

dBdBu2P?1020,2?1010 （3-2） u1P1dB表示的是两个功率的比值。在实际中，经常采用dBm和dBW表示功率的绝对单位。如果以1mW作为参考功率，则0dBm表示1mW的功率。如果以1W作为参考功率，则0dBW表示1W的功率。对于任意电平值的功率，可以用以下公式计算：

dBm?10lg(PmW),dBW?10lg(PW) （3-3）

从以上dBm或dBW的数值也可以得到实际的功率值：

PmW?10dBm10,PW?10dBW10 （3-4）

功率单位的改变规律是功率值改变1000倍时，相应地有一个新的单位。例如：pW→μW→mW→W→kW→MW，每当功率改变一个单位时，相邻的功率变化是30dB。

为了要实现大功率输出，末级功率放大器的前级放大器电路必须要有足够的激励功率电平。显然，在大功率发射系统中，往往由二到三级甚至四级以上功率放大器组成射频功率放大器，而各级的工作状态也往往不相同。

根据对工作频率、输出功率、用途等的不同要求，可以采用晶体管、FET、射频功率集成或电子管作为射频功率放大器的主要部件。在射频大功率方面，目前无论是在输出功率或在最高工作频率方面，电子管仍然占优势。现在已有单管输出功率达2000kW的巨型电子管，千瓦级以上的发射机大多数还是采用电子管。当然，晶体管、FET也在射频大功率方面不断取得突破。例如，目前单管的功率输出已经超过100W，若采用功率合成技术，输出功率可以达到3000W。

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3.1.2效率(η)

功率放大器由于输出功率达，因而要求直流电源提供的功率也大，这就存在一个效率问题。效率是射频功率放大器极为重要的指标，特别是对于移动通信设备。定义功率放大器的效率，通常采用集电极效率ηc和功率增加效率PAE（Power Added Efficiency）两种方法。 A． 集电极效率

所谓集电极效率，就是指功率管集电极输出的有用功率Pout和电源供给的直流功率Pdc的比值，即

?c?PoutPout?100%??100% （3-5） PdcPout?Pc式中，Pc为管耗。效率呢ηc越高，意味着在相同输出功率情况下，要求直流电源供给的功率越小，相应管子内部消耗的功率越小。例如在Pout=100W，ηc=54%时，需要电源供给的功率Pdc为185W，Pc=85W。若ηc提高84%，需要电源供给的功率Pdc为119W，节省了66W的功率，同时管耗Pc=19W，比85W大大减少了。这样，选用Pc小的晶体管，也可以降低成本。 B． 功率增加效率

功率增加效率定义为输出功率Pout与输入功率Pin的差与电源供给功率Pdc之比，即

?PAE?PAE?Pout?Pin1?(1?)?c （3-6） PdcAp功率增加效率PAE的定义中包含了功率增益的因素，当有比较大的功率增益，即Pout>>Pin时，有ηc≈PAE。 3.1.3增益（G）

增益可以说是放大器中最基本、最常用也是最重要的一个指标。为了能够更加具体更加全面地将它阐述清楚，我们可以先设定一个使用Y参数系或Z参数系表征的双端口网络。给定输入和输出电压，让有源器件用Y参数矩阵特征，在这

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种情况下，如果输入信号源用电流源和内导纳YS表征，负载则以负载导纳YL描述，如图3-2所示：

图3-2 Y参数的双端口网络

如果是双口有源器件由Z参数系描述，输入信号源则以电压源和内阻抗ZS表征，而负载则以负载阻抗ZL的形式描述，如图3-3所示：

图3-3 Z参数的双端口网络

这两种情况下，导纳YS和YL，阻抗ZS和ZL都是通过输入和输出匹配网络向源方向看过去的导纳和阻抗。

为计算功率放大器的电特性，考虑一个Y参数西，在这种情况下有源器件用下列方程组来描述：

?I1?Y11V1?Y12V2 （3-7） ?I?YV?YV?2211222依赖于器件输入口和输出口的阻抗匹配，根据Y参数，可推导得到几个放大器的功率增益，定义如下：

A．工作功率增益

工作功率增益（GP=PL/Pm）是耗散在有源负载GL与传递到器件具有输入导纳Ym输入口上的功率之比，这个增益与Gs无关，但是强烈地依赖于GL。 B．资用功率增益

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