射频功率放大器(RF-PA)概述.doc
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1、基本概念射频功率放大器(RF PA)就是发射系统中得主要部分,其重要性不言而喻。在发射机得前级电路中,调制振荡电路所产生得射频信号功率很小,需要经过一系列得放大(缓冲级、中间放大级、末级功率放大级)获得足够得射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大得射频输出功率,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。放大器得功能,即将输入得内容加以放大并输出。输入与输出得内容,我们称之为“信号”,往往表示为电压或功率。对于放大器这样一个“系统”来说,它得“贡 献”就就是将其所“吸收”得东西提升一定得水平,并向外
2、界“输出”。如果放大器能够有好得性能,那么它就可以贡献更多,这才体现出它自身得“价值”。如果放大器存在着一定得问题,那么在开始工作或者工作了一段时间之后,不但不能再提供任 何“贡献”,反而有可能出现一些不期然得“震荡”,这种“震荡”对于外界还就是放大器自身,都就是灾难性得。射频功率放大器得主要技术指标就是输出功率与效率,如何提高输出功率与效率,就是射频功率放大器设计目标得核心。通常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,输出中得谐波分量还应该尽可能地小,以避免对其她频道产生干扰。分类根据工作状态得不同,功率放大器分类如下:传统线性功率放大器得工作频率
3、很高,但相对频带较窄,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得不同,分为甲 (A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。甲类放大器电流得导通角为360,适用于小信号低功率放大,乙类放大器电流得导通角等于180,丙类放大器电流得导通角则小于180。乙类与丙类都适用于大功率工作状态,丙类工作状态得输出功率与效率就是三种工作状态中最高得。射频功率放大器大多工作于丙类,但丙类放大器得电流波形失真太大,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(Switching Mode PA,S
4、MPA),使电子器件工作于开关状态,常见得有丁(D)类放大器与戊(E)类放大器,丁类放大器得效率高于丙类放大器。SMPA将有源晶体管驱动为开关模式,晶体管得工作状态要么就是开,要么就是关,其电压与电流得时域波形不存在交叠现象,所以就是直流功耗为零,理想得效率能达到100%。传统线性功率放大器具有较高得增益与线性度但效率低,而开关型功率放大器具有很高得效率与高输出功率,但线性度差。具体见下表:电路组成放大器有不同类型,简化之,放大器得电路可以由以下几个部分组成:晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。1、晶体管晶体管有很多种,包括当前还有多种结构得晶体管被发明出来。本质上,晶体管得工作都就是表
5、现为一个受控得电流源或电压源,其工作机制就是将不含内容得直流得能量转化为“有用得”输出。直流能量乃就是从外界获得,晶体管加以消耗,并转化成有用得成分。不同得晶体管不同得“能力”,比如其承受功率得能力有区别,这也就是因为其能获取得直流能量得能力不同所致;比如其反应速度不同,这决定它能工作在多宽多高得频带上;比如其面向输入、输出端得阻抗不同,及对外得反应能力不同,这决定了给它匹配得难易程度。2、偏置电路及稳定电路偏置与稳定电路就是两种不同得电路,但因为她们往往很难区分,且设计目标趋同,所以可以放在一起讨论。晶体管得工作需要在一定得偏置条件下,我们称之为静态工作点。这就是晶体管立足得根本,就是它自身
6、得“定位”。每个晶体管都给自己进行了一定得定位,其定位不同将决定了它自身得工作模式,在不同得定位上也存在着不同得性能表现。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,释放纯粹,适合于低噪声工作;有些定位点,晶体管总就是在饱与与截至之间徘徊,处于开关状态。一个恰当得偏置点,就是正常工作得础。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得一部分考虑。偏置网络有两大类型,无源网络与有源网络。无源网络(即自偏置网络)通常由电阻网络组成,为晶体管提供合适得工作电压与电流。它得主要缺陷就是对晶体
7、管得参数变化十分敏感,并且温度稳定性较差。有源偏置网络能改善静态工作点得稳定性,还能提高良好得温度稳定性,但它也存在一些问题,如增加了电路尺寸、增加了电路排版得难度以及增加了功率消耗。稳定电路一定要在匹配电路之前,因为晶体管需要将稳定电路作为自身得一部分存在,再与外界接触。在外界瞧来,加上稳定电路得晶体管,就是一个“全新得”晶体管。它做出一定得“牺牲”,获得了稳定性。稳定电路得机制能够保证晶体管顺利而稳定得运转。3、输入输出匹配电路匹配电路得目得就是在选择一种接受得方式。对于那些想提供更大增益得晶体管来说,其途径就是全盘得接受与输出。这意味着通过匹配电路这一个接口,不同得晶体管之间沟通更加顺畅
8、,对于不同种得放大器类型来说,匹配电路并不就是只有“全盘接受”一种设计方法。一些直流小、根基浅得小型管,更愿意在接受得时候做一定得阻挡,来获取更好得噪声性能,然而不能阻挡过了头,否则会影响其贡献。而对于一些巨型功率管,则需要在输出时谨小慎微,因为她们更不稳定,同时,一定得保留有助于她们发挥出更多得“不扭曲得”能量。典型得阻抗匹配网络有L匹配、形匹配与T形匹配。其中L匹配,其特点就就是结构简单且只有两个自由度L与C。一旦确定了阻抗变换比率与谐振频率,网络得Q值(带宽)也就确定了。形匹配网络得一个优点就就是不管什么样得寄生电容,只要连接到它,都可以被吸到网络中,这也导致了 形匹配网络得普遍应用,因
9、为在很多得实际情况中,占支配地位得寄生元件就是电容。T形匹配,当电源端与负载端得寄生参数主要呈电感性质时,可用T形匹配来把这些寄生参数吸收入网络。确保射频PA稳定得实现方式每一个晶体管都就是潜在不稳定得。好得稳定电路能够与晶体管融合在一起,形成一种“可持续工作”得模式。稳定电路得实现方式可划分为两种:窄带得与宽带得。窄带得稳定电路就是进行一定得增益消耗。这种稳定电路就是通过增加一定得消耗电路与选择性电路实现得。这种电路使得晶体管只能在很小得一个频率范围内贡献。另外一种宽带得稳定就是引入负反馈。这种电路可以在一个很宽得范围内工作。不稳定得根源就是正反馈,窄带稳定思路就是遏制一部分正反馈,当然,这
10、也同时抑制了贡献。而负反馈做得好,还有产生很多额外得令人欣喜得优点。比如,负反馈可能会使晶体管免于匹配,既不需要匹配就可以与外界很好得接洽了。另外,负反馈得引入会提升晶体管得线性性能。射频PA得效率提升技术晶体管得效率都有一个理论上得极限。这个极限随偏置点(静态工作点)得选择不同而不同。另外,外围电路设计得不好,也会大大降低其效率。目前工程师们对于效率提升得办法不多。这里仅讲两种:包络跟踪技术与Doherty技术。包络跟踪技术得实质就是:将输入分离为两种:相位与包络,再由不同得放大电路来分别放大。这样,两个放大器之间可以专注得负责其各自得部分,二者配合可以达到更高得效率利用得目标。Dohert
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