射頻功率放大器概述

1、基本概念時(shí)間：2021.03.09創(chuàng)作：歐陽(yáng)法射頻功率放大器(RF PA)是發(fā)射系統(tǒng)中的主要部 分，其重要性不言而喻。在發(fā)射機(jī)的前級(jí)電路中，調(diào) 制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過(guò)一 系列的放大(緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)) 獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出 去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻 功率放大器。在調(diào)制器產(chǎn)生射頻信號(hào)后，射頻已調(diào)信 號(hào)就由RFPA將它放大到足夠功率，經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)，再 由天線發(fā)射出去。放大器的功能，即將輸入的內(nèi)容加以放大并輸出。 輸入和輸出的內(nèi)容，我們稱之為“信號(hào)”，往往表示 為電壓或功率。對(duì)于放大器這樣一個(gè)“系統(tǒng)”來(lái)說(shuō)， 它的“

2、貢獻(xiàn)”就是將其所“吸收”的東西提升一定 的水平，并向外界“輸出”。如果放大器能夠有好的 性能，那么它就可以貢獻(xiàn)更多，這才體現(xiàn)出它自身的 “價(jià)值”。如果放大器存在著一定的問(wèn)題，那么在開 始工作或者工作了一段時(shí)間之后，不但不能再提供任 何“貢獻(xiàn)”，反而有可能出現(xiàn)一些不期然的“震蕩”， 這種“震蕩”對(duì)于外界還是放大器自身，都是災(zāi)難性 的。射頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效 率，如何提高輸出功率和效率，是射頻功率放大器設(shè)計(jì) 目標(biāo)的核心。通常在射頻功率放大器中，可以用LC 諧振回路選出基頻或某次諧波，實(shí)現(xiàn)不失真放大。除 此之外，輸出中的諧波分量還應(yīng)該盡可能地小，以避 免對(duì)其他頻道產(chǎn)生干擾。分類才

3、艮據(jù)工作狀態(tài)的不同，功率放大器分類如下：r A類（甲類）B類（乙類）卜線性功率放大器 工作狀態(tài)C類（丙類）D類（丁類）L E類（戌類） 卜開關(guān)型功率成大器 F類傳統(tǒng)線性功率放大器的工作頻率很高，但相對(duì)頻 帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù) 載回路。射頻功率放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同， 分為甲（A）、乙（B）、丙（三類工作狀態(tài)。甲 類放大器電流的導(dǎo)通角為360,適用于小信號(hào)低功 率放大，乙類放大器電流的導(dǎo)通角等于180，丙類 放大器電流的導(dǎo)通角則小于180。乙類和丙類都適 用于大功率工作狀態(tài)，丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效 率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工 作于丙類，但

4、丙類放大器的電流波形失真太大，只能 用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載諧振功率放大。由于調(diào)諧 回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦 波形，失真很小。開關(guān)型功率放大器（Switching Mode PA,SMPA），使 電子器件工作于開關(guān)狀態(tài)，常見的有?。?。）類放大 器和戊（E）類放大器，丁類放大器的效率高于丙類 放大器。SMPA將有源晶體管驅(qū)動(dòng)為開關(guān)模式，晶體 管的工作狀態(tài)要么是開，要么是關(guān)，其電壓和電流的 時(shí)域波形不存在交疊現(xiàn)象，所以是直流功耗為零，理 想的效率能達(dá)到100%。傳統(tǒng)線性功率放大器具有較高的增益和線性度但 效率低，而開關(guān)型功率放大器具有很高的效率和高輸 出功率，但線性度差。具體

5、見下表：電路組成放大器有不同類型，簡(jiǎn)化之，放大器的電路可以由 以下幾個(gè)部分組成：晶體管、偏置及穩(wěn)定電路、輸入 輸出匹配電路。1、晶體管晶體管有很多種，包括當(dāng)前還有多種結(jié)構(gòu)的晶體 管被發(fā)明出來(lái)。本質(zhì)上，晶體管的工作都是表現(xiàn)為一 個(gè)受控的電流源或電壓源，其工作機(jī)制是將不含內(nèi)容 的直流的能量轉(zhuǎn)化為“有用的”輸出。直流能量乃是 從外界獲得，晶體管加以消耗，并轉(zhuǎn)化成有用的成分。 不同的晶體管不同的“能力”，比如其承受功率的能 力有區(qū)別，這也是因?yàn)槠淠塬@取的直流能量的能力不 同所致；比如其反應(yīng)速度不同，這決定它能工作在多 寬多高的頻帶上；比如其面向輸入、輸出端的阻抗不 同，及對(duì)外的反應(yīng)能力不同，這決定了給

6、它匹配的難 易程度。2、偏置電路及穩(wěn)定電路偏置和穩(wěn)定電路是兩種不同的電路，但因?yàn)樗麄?往往很難區(qū)分，且設(shè)計(jì)目標(biāo)趨同，所以可以放在一起討論。晶體管的工作需要在一定的偏置條件下，我們稱之 為靜態(tài)工作點(diǎn)。這是晶體管立足的根本，是它自身的 “定位”。每個(gè)晶體管都給自己進(jìn)行了一定的定位， 其定位不同將決定了它自身的工作模式，在不同的定 位上也存在著不同的性能表現(xiàn)。有些定位點(diǎn)上起伏較 小，適合于小信號(hào)工作；有些定位點(diǎn)上起伏較大，適 合于大功率輸出；有些定位點(diǎn)上索取較少，釋放純粹， 適合于低噪聲工作；有些定位點(diǎn)，晶體管總是在飽和 和截至之間徘徊，處于開關(guān)狀態(tài)。一個(gè)恰當(dāng)?shù)钠命c(diǎn)， 是正常工作的礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)寬帶功

7、率放大器時(shí)，或工作 頻率較高時(shí)，偏置電路對(duì)電路性能影響較大，此時(shí)應(yīng) 把偏置電路作為匹配電路的一部分考慮。偏置網(wǎng)絡(luò)有兩大類型，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)和有源網(wǎng)絡(luò)。無(wú)源 網(wǎng)絡(luò)（即自偏置網(wǎng)絡(luò)）通常由電阻網(wǎng)絡(luò)組成，為晶體管 提供合適的工作電壓和電流。它的主要缺陷是對(duì)晶體 管的參數(shù)變化十分敏感，并且溫度穩(wěn)定性較差。有源 偏置網(wǎng)絡(luò)能改善靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，還能提高良好 的溫度穩(wěn)定性，但它也存在一些問(wèn)題，如增加了電路 尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。穩(wěn)定電路一定要在匹配電路之前，因?yàn)榫w管需 要將穩(wěn)定電路作為自身的一部分存在，再與外界接觸。 在外界看來(lái)，加上穩(wěn)定電路的晶體管，是一個(gè)“全新 的”晶體管。它做出一

8、定的“犧牲”，獲得了穩(wěn)定性。 穩(wěn)定電路的機(jī)制能夠保證晶體管順利而穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。3、輸入輸出匹配電路匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對(duì)于那些 想提供更大增益的晶體管來(lái)說(shuō)，其途徑是全盤的接受 和輸出。這意味著通過(guò)匹配電路這一個(gè)接口，不同的 晶體管之間溝通更加順暢，對(duì)于不同種的放大器類型 來(lái)說(shuō)，匹配電路并不是只有“全盤接受”一種設(shè)計(jì)方 法。一些直流小、根基淺的小型管，更愿意在接受的 時(shí)候做一定的阻擋，來(lái)獲取更好的噪聲性能，然而不 能阻擋過(guò)了頭，否則會(huì)影響其貢獻(xiàn)。而對(duì)于一些巨型 功率管，則需要在輸出時(shí)謹(jǐn)小慎微，因?yàn)樗麄兏环€(wěn) 定，同時(shí)，一定的保留有助于他們發(fā)揮出更多的“不 扭曲的”能量。典型的阻抗

9、匹配網(wǎng)絡(luò)有L匹配、n形匹配和T形 匹配。其中L匹配，其特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且只有兩個(gè) 自由度L和C。一旦確定了阻抗變換比率和諧振頻率， 網(wǎng)絡(luò)的Q值（帶寬）也就確定了。兀形匹配網(wǎng)絡(luò)的一 個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是不管什么樣的寄生電容，只要連接到它， 都可以被吸到網(wǎng)絡(luò)中，這也導(dǎo)致了 n形匹配網(wǎng)絡(luò)的普 遍應(yīng)用，因?yàn)樵诤芏嗟膶?shí)際情況中，占支配地位的寄 生元件是電容。T形匹配，當(dāng)電源端和負(fù)載端的寄生 參數(shù)主要呈電感性質(zhì)時(shí)，可用T形匹配來(lái)把這些寄生 參數(shù)吸收入網(wǎng)絡(luò)。確保射頻PA穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)方式每一個(gè)晶體管都是潛在不穩(wěn)定的。好的穩(wěn)定電路 能夠和晶體管融合在一起，形成一種“可持續(xù)工作” 的模式。穩(wěn)定電路的實(shí)現(xiàn)方式可劃分為兩種：窄帶

10、的 和寬帶的。窄帶的穩(wěn)定電路是進(jìn)行一定的增益消耗。這種穩(wěn) 定電路是通過(guò)增加一定的消耗電路和選擇性電路實(shí)現(xiàn) 的。這種電路使得晶體管只能在很小的一個(gè)頻率范圍 內(nèi)貢獻(xiàn)。另外一種寬帶的穩(wěn)定是引入負(fù)反饋。這種電 路可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)工作。不穩(wěn)定的根源是正反饋，窄帶穩(wěn)定思路是遏制一 部分正反饋，當(dāng)然，這也同時(shí)抑制了貢獻(xiàn)。而負(fù)反饋 做得好，還有產(chǎn)生很多額外的令人欣喜的優(yōu)點(diǎn)。比如， 負(fù)反饋可能會(huì)使晶體管免于匹配，既不需要匹配就可 以與外界很好的接洽了。另外，負(fù)反饋的引入會(huì)提升 晶體管的線性性能。射頻PA的效率提升技術(shù)晶體管的效率都有一個(gè)理論上的極限。這個(gè)極限 隨偏置點(diǎn)（靜態(tài)工作點(diǎn)）的選擇不同而不同。另外，

11、 外圍電路設(shè)計(jì)得不好，也會(huì)大大降低其效率。目前工 程師們對(duì)于效率提升的辦法不多。這里僅講兩種：包 絡(luò)跟蹤技術(shù)與Doherty技術(shù)。包絡(luò)跟蹤技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：將輸入分離為兩種：相 位和包絡(luò)，再由不同的放大電路來(lái)分別放大。這樣， 兩個(gè)放大器之間可以專注的負(fù)責(zé)其各自的部分，二者 配合可以達(dá)到更高的效率利用的目標(biāo)。Doherty技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：采用兩只同類的晶體管， 在小輸入時(shí)僅一個(gè)工作，且工作在高效狀態(tài)。如果輸 入增大，則兩個(gè)晶體管同時(shí)工作。這種方法實(shí)現(xiàn)的基 礎(chǔ)是二只晶體管要配合默契。一種晶體管的工作狀態(tài)會(huì)直接的決定了另一支的工作效率。射頻PA面臨的測(cè)試挑戰(zhàn)功率放大器是無(wú)線通信系統(tǒng)中非常重要的組件， 但他

12、們本身是非線性的，因而會(huì)導(dǎo)致頻譜增生現(xiàn)象而 干擾到鄰近通道，而且可能違反法令強(qiáng)制規(guī)定的帶外 （out-of-band）放射標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)特性甚至?xí)斐蓭?nèi) 失真，使得通信系統(tǒng)的誤碼率（BER）增加、數(shù)據(jù)傳 輸速率降低。在峰值平均功率比（PAPR）下，新的OFDM 傳 輸格式會(huì)有更多偶發(fā)的峰值功率，使得PA不易被分 割。這將降低頻譜屏蔽相符性，并擴(kuò)大整個(gè)波形的 EVM 及增加BER。為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)工程師 通常會(huì)刻意降低PA的操作功率。很可惜的，這是非 常沒有效率的方法，因?yàn)镻A降低10%的操作功率， 會(huì)損失掉90%的DC功率?，F(xiàn)今大部分的RFPA皆支持多種模式、頻率范圍 及調(diào)制模式，使得測(cè)試

13、項(xiàng)目變得更多。數(shù)以千計(jì)的測(cè) 試項(xiàng)目已不稀奇。波峰因子消減（CFR）、數(shù)字預(yù)失 真（DPD）及包絡(luò)跟蹤（ET）等新技術(shù)的運(yùn)用，有助 于將PA效能及功率效率優(yōu)化，但這些技術(shù)只會(huì)使得 測(cè)試更加復(fù)雜，而且大幅延長(zhǎng)設(shè)計(jì)及測(cè)試時(shí)間。增加 RF PA的帶寬，將導(dǎo)致DPD測(cè)量所需的帶寬增加5 倍（可能超過(guò)1 GHz），造成測(cè)試復(fù)雜性進(jìn)一步升高。依趨勢(shì)來(lái)看，為了增加效率，RF PA組件及前端 模塊（FEM）將更緊密整合，而單一 FEM則將支持 更廣泛的頻段及調(diào)制模式。將包絡(luò)跟蹤電源供應(yīng)器或 調(diào)制器整合入FEM，可有效地減少移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的整 體空間需求。為了支持更大的操作頻率范圍而大量增 加濾波器/雙工器插槽，會(huì)

14、使得移動(dòng)設(shè)備的復(fù)雜度和測(cè) 試項(xiàng)目的數(shù)量節(jié)節(jié)攀升。半導(dǎo)體材料的變遷：Ge（錯(cuò)）、Si（硅）TTTGaAs（砷化鎵）、InP（磷化 銦）TTTSiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）、SiGe（錯(cuò)化硅）、 SOI（絕緣層上覆硅）ttt碳納米管（CNT） TTT石 墨烯（Graphene）。目前功率放大器的主流工藝依然是GaAs 工藝。另外， GaAs HBT,砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。其中 HBT （heterojunction bipolar transistor, 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管） 是一種由砷化鎵(GaAs)層和鋁鎵砷(AlGaAs)層構(gòu)成的 雙極晶體管。CMOS工藝雖然已經(jīng)比較成熟，但Si CMO

15、，功率放大 器的應(yīng)用并不廣泛。成本方面，CMOS工藝的硅晶圓 雖然比較便宜，但CMOS功放版圖面積比較大，再加 上 CMOS PA復(fù)雜的設(shè)計(jì)所投入的研發(fā)成本較高，使 得CMOS功放整體的成本優(yōu)勢(shì)并不那么明顯。性能方 面，CMOS功率放大器在線性度，輸出功率，效率等 方面的性能較差，再加上CMOS工藝固有的缺點(diǎn):膝點(diǎn) 電壓較高、擊穿電壓較低、CMOS工藝基片襯底的電 阻率較低。碳納米管(CNT)由于具有物理尺寸小、電子遷移率 高，電流密度大和本征電容低等特點(diǎn)，人們認(rèn)為是納 米電子器件的理想材料。零禁帶半導(dǎo)體材料石墨烯，因?yàn)榫哂泻芨叩碾娮舆w 移速率、納米數(shù)量級(jí)的物理尺寸、優(yōu)秀的電性能以及 機(jī)械性能

16、，必將成為下一代射頻芯片的熱門材料。射頻PA的線性化技術(shù)射頻功率放大器的非線性失真會(huì)使其產(chǎn)生新的頻 率分量，如對(duì)于二階失真會(huì)產(chǎn)生二次諧波和雙音拍頻， 對(duì)于三階失真會(huì)產(chǎn)生三次諧波和多音拍頻。這些新的 頻率分量如落在通帶內(nèi)，將會(huì)對(duì)發(fā)射的信號(hào)造成直接 干擾，如果落在通帶外將會(huì)干擾其他頻道的信號(hào)。為 此要對(duì)射頻功率放大器的進(jìn)行線性化處理，這樣可以 較好地解決信號(hào)的頻譜再生問(wèn)題。射頻功放基本線性化技術(shù)的原理與方法不外乎是以 輸入RF信號(hào)包絡(luò)的振幅和相位作為參考，與輸出信 號(hào)比較，進(jìn)而產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男Ｕ?。目前己?jīng)提出并得到 廣泛應(yīng)用的功率放大器線性化技術(shù)包括，功率回退， 負(fù)反饋，前饋，預(yù)失真，包絡(luò)消除與恢復(fù)(

17、EER)，利用 非線性元件進(jìn)行線性放大(LINC)。較復(fù)雜的線性化技 術(shù)，如前饋，預(yù)失真，包絡(luò)消除與恢復(fù)，使用非線性 元件進(jìn)行線性放大，它們對(duì)放大器線性度的改善效果 比較好。而實(shí)現(xiàn)比較容易的線性化技術(shù)，比如功率回 退，負(fù)反饋，這幾個(gè)技術(shù)對(duì)線性度的改善就比較有限。1、功率回退這是最常用的方法，即選用功率較大的管子作小 功率管使用，實(shí)際上是以犧牲直流功耗來(lái)提高功放的線性度。功率回退法就是把功率放大器的輸入功率從1dB 壓縮點(diǎn)（放大器有一個(gè)線性動(dòng)態(tài)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)， 放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。隨著輸入功 率的繼續(xù)增大，放大器漸漸進(jìn)入飽和區(qū)，功率增益開 始下降，通常把增益下降到比線性增益低

18、1dB時(shí)的輸 出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點(diǎn)，用P1dB表 示。）向后回退6-10個(gè)分貝，工作在遠(yuǎn)小于1dB壓縮 點(diǎn)的電平上，使功率放大器遠(yuǎn)離飽和區(qū)，進(jìn)入線性工 作區(qū)，從而改善功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)。一般情 況，當(dāng)基波功率降低1dB時(shí)，三階交調(diào)失真改善2dB。功率回退法簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，不需要增加任何附加 設(shè)備，是改善放大器線性度行之有效的方法，缺點(diǎn)是 效率大為降低。另外，當(dāng)功率回退到一定程度，當(dāng)三 階交調(diào)制達(dá)到-50dBc以下時(shí)，繼續(xù)回退將不再改善放 大器的線性度。因此，在線性度要求很高的場(chǎng)合，完 全靠功率回退是不夠的。2、預(yù)失真預(yù)失真就是在功率放大器前增加一個(gè)非線性電路用以補(bǔ)償功率放大

19、器的非線性失真。預(yù)失真線性化技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)在于不存在穩(wěn)定性問(wèn) 題，有更寬的信號(hào)頻帶，能夠處理含多載波的信號(hào)。 預(yù)失真技術(shù)成本較低，由幾個(gè)仔細(xì)選取的元件封裝成 單一模塊，連在信號(hào)源與功放之間，就構(gòu)成預(yù)失真線 性功放。手持移動(dòng)臺(tái)中的功放已采用了預(yù)失真技術(shù)， 它僅用少量的元件就降低了互調(diào)產(chǎn)物幾dB，但卻是彳艮 關(guān)鍵的幾dB。預(yù)失真技術(shù)分為RF預(yù)失真和數(shù)字基帶預(yù)失真兩種 基本類型。RF預(yù)失真一般采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于高頻、寬帶應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)， 缺點(diǎn)是頻譜再生分量改善較少、高階頻譜分量抵消較 困難。數(shù)字基帶預(yù)失真由于工作頻率低，可以用數(shù)字電路 實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以通過(guò)增加采樣頻率和增大 量化階數(shù)的辦法來(lái)抵消高階互調(diào)失真，是一種很有發(fā) 展前途的方法。這種預(yù)失真器由一個(gè)矢量增益調(diào)節(jié)器 組成，根據(jù)查找表(LUT)的內(nèi)容來(lái)控制輸入信號(hào)的幅度 和相位，預(yù)失真的大小由查找表的輸入來(lái)控制。矢量 增益調(diào)節(jié)器一旦被優(yōu)化，將提供一個(gè)與功放相反的非 線性特性。理想情況下，這時(shí)輸出的互調(diào)產(chǎn)物應(yīng)該與 雙音信