射頻功率放大器

1、 實(shí)驗(yàn)四：射頻功率放大器【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹客ㄟ^(guò)功率放大器實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解功率放大器的基本結(jié)構(gòu)，工作原理及其設(shè)計(jì)步驟，掌握功率放大器增益、輸出功率、頻率范圍、線(xiàn)性度、效率和輸入/輸出端口駐波比等主要性能指標(biāo)的測(cè)試方法，以此加深對(duì)以上各項(xiàng)性能指標(biāo)的理解?！緦?shí)驗(yàn)環(huán)境】1實(shí)驗(yàn)分組：每組24人2實(shí)驗(yàn)設(shè)備：直流電源一臺(tái)，頻譜儀一臺(tái)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一臺(tái)，功率計(jì)一只，10dB衰減器一個(gè)，萬(wàn)用表一只，功率放大器實(shí)驗(yàn)電路板一套【實(shí)驗(yàn)原理】一、功率放大器簡(jiǎn)介功率放大器總體可分成A、B、C、D、E、F六類(lèi)。而這六個(gè)小類(lèi)又可以歸入不同的大類(lèi)，這種大類(lèi)的分類(lèi)原則，大致有兩種：一種是按照晶體管的導(dǎo)通情況分，另一種按晶體管的等效電

2、路分。按照信號(hào)一周期內(nèi)晶體管的導(dǎo)通情況，即按導(dǎo)通角大小，功率放大器可分A、B、C三類(lèi)。在信號(hào)的一周期內(nèi)管子均導(dǎo)通，導(dǎo)通角（在信號(hào)周期一周內(nèi)，導(dǎo)通角度的一半定義為導(dǎo)通角），稱(chēng)為A類(lèi)。一周期內(nèi)只有一半導(dǎo)通的成為B類(lèi)，即。導(dǎo)通時(shí)間小于一半周期的稱(chēng)為C類(lèi)，此時(shí)。如果按照晶體管的等效電路分，則A、B、C屬于一大類(lèi)，它們的特點(diǎn)是：輸入均為正弦波，晶體管都等效為一個(gè)受控電流源。而D、E、F屬于另一類(lèi)功放，它們的導(dǎo)通角都近似等于，均屬于高功率的非線(xiàn)性放大器。二、功率放大器的技術(shù)要求功率放大器用于通信發(fā)射機(jī)的最前端，常與天線(xiàn)或雙工器相接。它的技術(shù)要求為： 1. 效率越高越好 2. 線(xiàn)性度越高越好 3. 足夠高的

3、增益 4. 足夠高的輸出功率 5. 足夠大的動(dòng)態(tài)范圍 6. 良好的匹配（與前接天線(xiàn)或開(kāi)關(guān)器）三、功率放大器的主要性能指標(biāo)1.工作頻率2.輸出功率3.效率4.雜散輸出與噪聲5.線(xiàn)性度6.隔離度四、功率放大器的設(shè)計(jì)步驟1.依據(jù)應(yīng)用要求（功率、頻率、帶寬、增益、功耗等），選擇合適的晶體管2.確定功率放大器的電路和類(lèi)型3.確定放大器的直流工作點(diǎn)和設(shè)計(jì)偏置電路4.確定最大功率輸出阻抗5.將最大輸出阻抗匹配到負(fù)載阻抗（輸出匹配網(wǎng)絡(luò)）6.確定放大器輸入阻抗7.將放大器輸入阻抗匹配到實(shí)際的源阻抗（輸入匹配網(wǎng)絡(luò)）8.仿真功率放大器的性能和優(yōu)化9.電路制作與性能測(cè)試10.性能測(cè)量與標(biāo)定五、本實(shí)驗(yàn)所用功率放大器的簡(jiǎn)

4、要設(shè)計(jì)過(guò)程1. PA設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)頻段/GHz1.82.5線(xiàn)性增益/dB>=30等駐波比VSWR<=2.51dB壓縮點(diǎn)P1dB/dBm>=20增益平坦度/dB±12. 晶體管的選擇 本實(shí)驗(yàn)所選用的晶體管為安捷倫公司的ATF54143_PHEMT，這種晶體管適合用來(lái)設(shè)計(jì)功率放大器。單管在1.82.5GHz處能達(dá)到的最大資用增益大于18dB，而1dB壓縮點(diǎn)高于21dB。3. LNA電路方案的確定 為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，PA的電路方案采用兩級(jí)放大，前后兩級(jí)偏置電路使用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。確定功率放大器工作點(diǎn)負(fù)載線(xiàn)的中點(diǎn)，使它工作在A類(lèi)，具有很好的線(xiàn)性度。第一級(jí)采用最大增益匹配，第二

5、級(jí)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用功率匹配，級(jí)間共軛匹配。4. 直流（電壓/電流）偏置電路設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)所用功率放大器采用基極分壓射極偏置電路，但將它的射頻扼流圈換為一端開(kāi)路的四分之一波長(zhǎng)傳輸線(xiàn)。這樣就綜合了基極分壓射極偏置電路和傳輸線(xiàn)偏置法的優(yōu)點(diǎn)，既能使放大器的工作點(diǎn)穩(wěn)定又能抑制偶次諧波，還能改善放大器的穩(wěn)定性。 圖1 偏置電路 上圖中， R1與R2一起構(gòu)成分壓回路，R3為限流電阻，旁路電容C2、C3與四分之一波長(zhǎng)傳輸線(xiàn)L1、L2起阻止基波流向直流源并抑制偶次諧波的作用。電容C4、C5起隔直通交作用，而旁路電容C1負(fù)責(zé)濾除直流源的雜散信號(hào)。5. 阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)取決與放大器要求的增益

6、、輸出功率、效率、線(xiàn)性度和交調(diào)失真比等指標(biāo)。PA阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)基本步驟：1）確定最大功率傳輸負(fù)載阻抗2）將最大功率傳輸負(fù)載阻抗匹配到實(shí)際的負(fù)載阻抗3）確定放大器輸入阻抗4）匹配放大器輸入阻抗到信號(hào)源阻抗 功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)均采用單節(jié)短截線(xiàn)匹配法。匹配順序?yàn)閺暮蠹?jí)往前級(jí)匹配。第二級(jí)的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用功率匹配，即確定晶體管的最大功率傳輸負(fù)載阻抗，將所得到的最大功率傳輸負(fù)載阻抗匹配到實(shí)際負(fù)載阻抗，輸出端匹配好以后，測(cè)出此時(shí)晶體管的輸入阻抗。第一級(jí)采用最大增益匹配，將其要求的輸出阻抗共軛匹配到第二級(jí)的輸入阻抗，再將其輸出阻抗匹配到實(shí)際的負(fù)載阻抗。這樣就完成了整個(gè)放大器的匹配電路設(shè)計(jì)。 偏置電

7、路和匹配電路設(shè)計(jì)好以后，整個(gè)功率放大器本身的設(shè)計(jì)已完成。為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，還需設(shè)計(jì)一個(gè)直流保護(hù)電路，以保證當(dāng)輸入的直流電壓和電流過(guò)大時(shí)，功率放大器電路不會(huì)受到損壞。六、實(shí)驗(yàn)使用的PA電路圖圖2 PA實(shí)驗(yàn)電路的原理圖 圖3 PA版圖圖4 PA實(shí)驗(yàn)電路平臺(tái)【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1.參考實(shí)驗(yàn)原理圖，理解功率放大器設(shè)計(jì)的基本方法。2.在功率放大器實(shí)驗(yàn)電路板上測(cè)量PA的主要技術(shù)指標(biāo)： a.功率增益（Gain） b.頻率范圍（Frequency Range） c.回波損耗（Return Loss） d.駐波比（Stand Wave Ratio）e.1dB壓縮點(diǎn)（1dB Power）f.三階交調(diào)點(diǎn)（ and ）【實(shí)驗(yàn)步驟

8、】 1.在做實(shí)驗(yàn)之前，觀察實(shí)驗(yàn)板的電路結(jié)構(gòu)，認(rèn)清各部分電路元件的作用，體會(huì)PA的工作原理。 2.準(zhǔn)備工作1）調(diào)整直流源，輸出端口選擇為端口1，將輸出電壓設(shè)定為3V，電流限定在125mA。2）校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，校準(zhǔn)的頻率范圍：1.8GHz2.5GHz，矢網(wǎng)輸出功率為-20dBm，保存校準(zhǔn)文件。3）校準(zhǔn)功率計(jì)，使信號(hào)發(fā)生器的真實(shí)輸出與功率計(jì)上所顯示的功率值一致。 3.測(cè)試 1）直流工作點(diǎn)的測(cè)試 將功率放大器的直流輸入端連接到直流源的端口1，按下直流源的輸出鍵，觀測(cè)此時(shí)直流源的電壓輸出值Vcc和電流輸出值Icc并做記錄 使用萬(wàn)用表，分別測(cè)前后兩級(jí)EPHEMT的和，并做相應(yīng)記錄，以此可以確定兩級(jí)EP

9、HEMT的直流工作點(diǎn)Q1和Q2。 2）PA的主要性能指標(biāo)測(cè)試 將PA的射頻輸入端連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1，射頻輸出端接到矢網(wǎng)的端口2。按下矢網(wǎng)的Power ON鍵，采用頻率掃描，測(cè)量并保存PA的S參數(shù)，用Marker鍵找出增益即的最大值，其對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)為中心頻率，并找出增益下降1dB的頻率范圍（1dB帶寬）。利用測(cè)得的和，可以分別得出LNA的射頻輸入和輸出端口的回波損耗，通過(guò)計(jì)算公式 可得出PA的射頻輸入和輸出端口的駐波比SWR，由此可以看出PA的輸入和輸出的匹配好壞。采用功率掃描，掃描范圍：-20dBm-5dBm，中心頻率為上面得出的中心頻率點(diǎn)，用Marker找出增益下降1dB時(shí)的輸入功率的大概位置，這樣可以粗略確定P1dB的大小。 將PA的射頻輸入端接到信號(hào)發(fā)生器的輸出端，射頻輸出端接到功率計(jì)的探頭，打開(kāi)射頻源，輸入功