“任务2 射频功率放大器分析与设计方法” 吴志毅 www.scitc.com.cn

任务2 射频功率放大器分析与设计 任务目标 (1)掌握射频功率放大器电路的基本组成。 (2)掌握射频功率放大器电路设计步骤。 任务2 射频功率放大器分析与设计 任务目标 (1)掌握射频功率放大器电路的基本组成。 (2)掌握射频功率放大器电路设计步骤。 (3)正确理解射频功率放大器增益功率的具体含义。 (4)掌握射频功率放大器稳定性的判别。 (5)正确理解射频功率放大器检测与保护电路 (6)正确理解射频功率放大器输入与输出匹配电路的重要性。

2.1射频功率放大器电路组成 ◆ 输入输出匹配电路。 ◆ 偏置及稳定电路。 ◆ 微波晶体管。 放大器的性能指标是我们设计的目标。对于任何一种需求，我们都可以量化成一个一个的指标。在这些指标的指引下，我们可以选择不同的电路形式和设计方案。一般放大器电路主要由以下几个部分组成。　

2.2微波晶体管放大器设计步骤 根据上节原理分析，可以总结出微波晶体管放大器设计步骤如下： 1.选择适当的晶体管和电路形式。 2.测量晶体管的S参数。 3.判断稳定性。 4.设计输入和输出匹配网络。 (1)单向化设计。 ◆等增益设计 ◆最大增益法

(2)非单向化双共轭匹配设计。 (3)输入端良好匹配——功率增益圆。 (4)输出端良好匹配——资用功率增益圆。 (5)噪声系数圆。 (6)等驻波比圆。 5.电源偏置电路设计。 6.功率放大器检测与保护电路设计。

2.3射频功率放大器的功率增益 功率增益是射频放大器的重要指标之一。根据现行网络输入、输出端阻抗匹配情况，可以定义三种功率增益，分别是：工作功率增益、转换功率增益和资用功率增益。以单级放大器二端口网络为例分析三者增益关系，结构方框图如图6.2所示。 图6.2 二端口网络和放大器的增益定义

1.工作功率增益(GP) 二端口网络输出功率Pout与二端口网络输入功率Pin之比，即Gp=Pout/Pin。在电路设计与分析过程中一般使用散射参量来表式，因此工作功率增益为：

◆工作功率增益与晶体管散射参数和负载的反射参数有关，因此工作功率增益便于研究负载的变化对放大器工作功率增益的影响。

2.转换功率增益(GT) 定义为网络输出功率Pout与信号源输入的资用功率Pa之比 用散射参数表示，则GT表示为：

定义为网络输出资用功率Pout与信号源的资用功率Pa之比，此时放大器输出端口也达到共轭匹配，信号源输出功率最大。 3.资用功率增益(GA) 定义为网络输出资用功率Pout与信号源的资用功率Pa之比，此时放大器输出端口也达到共轭匹配，信号源输出功率最大。 用散射参数表示，则GA表示为：

2.4射频功率放大器稳定性判别 射频功率放大器结构如图6.3所示。 图6.3 射频功率放大器结构图

◆射频功率放大器一共包括三部分，输入匹配网络、射频晶体管、输出匹配电路。而输入匹配网络、输出匹配网络完成信号源、负载和射频晶体管之间的阻抗变换。在设计放大器时必须保证放大电路稳定工作而不产生振荡，因此研究稳定性是设计放大器的首要任务

通常根据稳定性程度不同可分为两类 1. 绝对稳定或无条件稳定。 在这种情况下，负载阻抗和源阻抗可以任意选择，放大器均能稳定工作。 2. 潜在不稳定或称有条件稳定。 在这种情况下，负载阻抗和源阻抗不能任意选择，否则放大器就可能发生自激，也就是说，这时ZL和ZS的选择是有限制的，只能在特定的范围内选择，放大器才不致产生自激。

◆判定放大器是否稳定，可以从放大器输入端和输出端阻抗是否具有负阻来决定。如果回路的输入阻抗和输出阻抗存在负阻，就意味着放大器可能产生振荡。

在给定晶体管放大器的S参数的条件下： (1)如果|Гin|＜1且|Гout|＜1，即 称为绝对稳定条件，不管源阻抗和负载阻抗如何，网络都是稳定的。稳定性判据为

(2)如果|Гin|＞1且|Гout|＞1，潜在不稳定条件，网络是不稳定的。 、 (2)如果|Гin|＞1且|Гout|＞1，潜在不稳定条件，网络是不稳定的。 (3)|Гin|＝1且|Гout|＝1，绝对稳定条件和潜在不稳定条件的分界线。 在实际放大器设计中有两种情况： 第一种情况：晶体管为单向器件：S12=0，绝对稳定，|S11|<1，|S22|<1。对输入和输出匹配电路的设计没有限定条件，依据噪声和增益指标进行设计。

第二种情况：晶体管为双向器件，也就是S12≠0时，又分两种情况： (1)满足稳定判据，是绝对稳定。对输入和输出匹配电路的设计没有限定条件，依据噪声和增益指标进行设计。 (2)不满足稳定判据，是条件稳定。要用圆图找出Гs和ГL的取值范围，也就是采用稳定圆判别法，如图6.4所示。稳定圆可以直接计算，也可用商业软件.

图6.4 条件稳定下的输入平面上的输出稳定圆

图6.5ГL平面上的稳定圆

◆综上所述，在|S11|＜1的情况下，对稳定区的判断可以归纳为：当稳定性判别圆包含ГL平面上的原点时，园内区域是稳定区；当稳定性判别圆不包含ГL平面上原点时，圆外区域是稳定的区。图5.5中(a)、(b)是潜在不稳定情况，对ГL的确定只能在稳定区域内选择，其幅度和相位均要受到限制，(c)、(d)为绝对稳定条件。由此可知，绝对稳定的条件是稳定性判定圆必须完全落在单位圆外或完全包围了单位圆。

2.5输入输出匹配电路 射频系统中阻抗通常为50欧姆。而微波功率管的输入、输出阻抗很小。这样就要求我们在功率放大器的设计过程中，把功率管小的输入、输出阻抗匹配到50欧姆，这是成功设计功率放大器的一个重要核心组成部分。 在任何一个功放的设计中，理想的匹配电路应同时满足多项指标，比如匹配、带宽、驻波、谐波衰减和线性等多项要求。但在实际匹配电路设计过程中，往往不可能同时让所有指标都达到最优的状态，所采用的匹配电路要综合考虑。

◆功放单元的设计包括单级功放和多级功放的设计。设计单级功率放大器主要是进行输入匹配电路和输出匹配电路的设计；而设计两级或多级功率放大器除了要考虑输入和输出匹配电路外，同时还要考虑级间匹配。

2.6射频功率放大器电源电路设计 在线性功放的设计中，人们注意点是如何提高功放的线性度。但是，功放电路的电源的供电和偏置设计不好，将严重影响功放的线性指标。

(1)功放电路的供电形式 功放电路的供电形式多种多样，但基本相同，对于不同类型的器件有所不同。一般器件厂家会提供一个供电电路供设计者参考。

(2)GaAs器件供电路。 GaAs器件供电电源一般为9V～12V，12V较多。GaAs器件由于其器件的工艺原因，其使用的偏置电源是负电源。但是无论使用什么样的电源，在电源的设计处理上是一样的。

(3)电源偏置。 电源的偏置不仅可以调节功放的增益，同时可以调节功放的线性度。在多级功放，后级功放电路中的工作状态对线性功放的线性影响是最大的。所以在多级功放管级联时调节功放的偏置电压对整体功放的线性度有很大的影响。

(4)布局 功放电源电路中的去耦电容和滤波电容的位置也是非常重要的。 (5)电容的选用。 对于微波电容的选择，一般选用高Q值的电容，要求电容的等效电阻越小越好。

2.7射频功率放大器检测与保护电路 射频功率放大器的放大管比较昂贵，要求输出功率越大，其所占成本比例就越大。同时功率放大管是一种相对比较脆弱的器件，主要体现：防静电较差；抗过热、过温较差；对射频过载比较敏感；抗过压、过流较差等。因此，在设计功率放大器时必须考虑如何保护功率放大器。

1.保护电路类型 (1) 过压保护。 ◆电压钳位电路：设计合适的钳位电路可以使馈电电压限制在安全的范围内。 ◆压敏电路：通过并联压敏电阻或者其他压敏器件，当电压超过压敏器件的临界电平时，压敏器件产生短路效应，拉低电平，从而达到保护的目的。 ◆稳压电路：防止输入电源大范围突变或负载波动较大。 ◆“电压检测＋过压判断＋执行保护”的闭环保护形式。

(2) 过流保护。 ◆电源限流保护：如果给功率放大器馈电的电源模块具有限流功能，那么该限流功能能够防止功放出现过流。比如功放过激励，如果没有限流，功放会被过激励产生的大电流烧毁。 ◆过流闭环保护：通过对功放的工作电流进行实时监测，一旦出现过流，自动切断电源，以达到保护功放的目的。

(3) 过激励保护。 当输入功率超过功率放大器安全工作范围时，对功放实施的保护。过激励保护的形式有： ◆输入功率限幅。通过限幅器件实现。 ◆过激励闭环保护形式。通过对功放的输入功率进行实时监测，一旦发现功放过激励，自动切断输入信号或者自动大幅度衰减输入信号，以达到保护功放的目的。

(4) 热保护 热保护是在出现温度过高或者过热的情况下，对功放实施的保护。通过检测电路检测的温度超过门限值，通过保护执行装置对功放进行保护。 (5)失配保护 失配保护是在功放输出失配的情况下，为避免失配对功放损害的一种保护电路形式。

通过对各种功放保护电路分析，一个完整的保护电路模型如图6.9所示。该模型由以下几部分构成： 2.功率放大器保护模型的建立 通过对各种功放保护电路分析，一个完整的保护电路模型如图6.9所示。该模型由以下几部分构成： 图6.9 功率放大器的保护电路模型

(3)电压取样电路 3.功放的状态监测 功率放大器能否得到正确、有效、及时的保护，关键在于放大器监测电路。 (1) 状态监测分类 (2) 状态监测检测电路 (4)电流检测电路 (5)温度检测电路

4.保护执行机构 保护执行机构根据来自比较判断的命令做出相应的保护动作。主要有以下几类： (1)开关器件类 (2)参量限制器件类 (3)参量调整器件类 (4)组合类器件

2.8功放电路的屏蔽及热设计 由于射频功率放大器的工作频率较高，电路中元件类型复杂，电路结构紧凑，因此散热非常重要。再有一些特殊的射频单元如低噪放(LNA)、压控振荡器(VCO)、混频器(MLXER)等在PCB设计时要考虑好部分屏蔽盒的安装。

2.9功率合成技术 在许多无线通信系统中需要有较大的功率输出，由单个功率管组成的功放不能满足大功率输出的需要，在这种情况下，就需要采用功率合成技术来达到所需要的功率要求。

功率合成的原理： 由功率分配单元把输入信号分配给各路功放单元进行功率放大，再通过功率合成单元把各路功放单元的输出信号进行功率合成。