高效率微波功放現(xiàn)狀

高效率微波功放現(xiàn)狀諧波控制技術(shù)理想的效率放大器其不僅要輸出足夠的功率，而且還需保證較高的工作效率和很好的線性度。較高的效率是為了將來自偏置的電流能量全部有效的用于信號放大；良好的線性度是為了功放輸出端的頻譜純凈，鄰近頻道沒有交調(diào)分量的產(chǎn)生。漏極效率定義，而。諧波控制技術(shù)就是從頻域出發(fā)，利用特定比例的諧波分量來調(diào)控波形，使得漏極電壓與電流波形交錯，直流能量可以完全的轉(zhuǎn)化為交流能量從而實現(xiàn)高效率。諧波控制類高效率功放有F類，逆F類以及J類功率。F類功率放大器其功放輸出需要對奇次諧波開路，偶次諧波短路，即負載匹配電路的奇次諧波阻抗呈現(xiàn)無限大而偶次諧波阻抗為零。但是在實際工程上，因為存在漏源電容等因素作用，無法對所有的高次諧波進行控制，因此通常利用二、三次諧波分量調(diào)整功放輸出波形。逆F類功放恰為F類相反，其特征是其功放輸出需要對奇次諧波短路，偶次諧波開路，從而形成半正弦的電壓波形和電流方波。（a）F類(b)逆F類圖1功放波形圖在輸出等值功率時，若晶體管開啟電阻為理想電阻時，這兩類功放效率理論可達到100%，當(dāng)其開啟電阻不為零時，逆F類表現(xiàn)更優(yōu)，且隨著電阻值的升高差異更明顯。J類功放的電路結(jié)構(gòu)最簡單如下圖所示，僅包含一個晶體管和由并聯(lián)電容和一段特定長度的傳輸線組成的低通基波匹配網(wǎng)絡(luò)。J類功放的基波阻抗不是純阻抗，這使得漏極電壓值大于零從而避免了嚴重的線性失真。與上兩者不同的是J類負載電路的二次諧波阻抗呈純阻抗特性，這使得輸出電壓含有足夠的二次諧波來調(diào)整波形從而引起電壓電流波形產(chǎn)生一定的相位偏差，提高功放效率。圖2J類功放電路基本結(jié)構(gòu)（偏置電路未畫出）負載牽引法負載牽引方法是通過不斷調(diào)節(jié)輸入和輸出的阻抗，找到讓有源器件的輸出功率最大的輸入、輸出匹配阻抗。同理，也可以得到讓功率管效率最高的匹配阻抗。這種方法可以準確地測量出器件在大信號條件下的最優(yōu)性能，反映出器件的輸入、輸出阻抗隨頻率和輸入功率變化的特性，為期間和電路的設(shè)計優(yōu)化提供了堅實的基礎(chǔ)，且負載牽引法在開關(guān)類功率放大器的D類，E類，F(xiàn)類，均為高效率功率放大器設(shè)計方法。Doherty技術(shù)3.1Doherty技術(shù)原理分析經(jīng)典的Doherty放大器中，主放大器一般工作在AB類或者B類工作狀態(tài)；輔助功率放大器工作于C類狀態(tài)，在小信號輸入下，輔助功放并為導(dǎo)通工作。Doherty放大器的特性是由主、輔助功放共同決定的，會隨它們狀態(tài)的變化而變化。圖3經(jīng)典Doherty電路圖有源負載牽引技術(shù)是Doherty功放的關(guān)鍵原理，工作過程如下圖所示。和是兩個同相不同幅的電流源，當(dāng)?shù)姆劝l(fā)生變化時處所看到的電阻不再是固定的，而是隨著不斷改變的值。從向右側(cè)看到的電阻是，從向左側(cè)看到的電阻是。這種負載牽引導(dǎo)致的負載變化會直接影響單管功放的輸出性能，從而影響整個Doherty功放的特性。圖4有源負載牽引原理圖上的電壓是,從電流源和各自向電阻看過去得到的負載電阻和分別為由上式可得：當(dāng)和同相時，負載牽引增加了電流源看到的阻抗。因此在Doherty中，大信號工作狀態(tài)下，隨著第二個功放的打開，電流增大，主功放看到的阻抗也隨之增加直到達到功率和效率的最大值。3.2Doherty不同分類在不同的定義中有兩種分類方式，按照輔功放的導(dǎo)通情況，Doherty功放工作狀態(tài)分為三種：低功率、中功率和高功率狀態(tài)；按照工作信號大小又可以分為小信號和大信號工作狀態(tài)。低功率狀態(tài)時，輸入電壓小于最大電壓值的一半，只有主功放工作，輔助功放處于截止狀態(tài)。此時的主功放處于飽和狀態(tài)；中功率狀態(tài)下，輸入電壓大于最大電壓值的一半，輔助功放開始工作，此時有源負載牽引作用，此時主功放也一直處于飽和狀態(tài)；高功率狀態(tài)下，兩個放大器同時達到飽和狀態(tài)。其中Doherty功放電流和電壓與輸入電壓關(guān)系如下所示：圖5Doherty功放電流和電壓與輸入電壓關(guān)系在小信號工作狀態(tài)時，輸入功率分配到輔功放中的那部分不足將輔功放開啟，因此此時輔助功放輸出端處于斷路狀態(tài)，只有主功放有輸出且處于飽和狀態(tài)；隨著輸入頻率的增加，輔助功放的功率漸漸增大到能使該支路中的功率晶體管打開的程度，輔助功放逐漸開啟到完全打開，二路功放都達到飽和狀態(tài)。二者工作狀態(tài)下的Doherty結(jié)構(gòu)等效電路圖如下：小信號工作狀態(tài)（b）大信號工作狀態(tài)圖6大小信號工作狀態(tài)下的Doherty結(jié)構(gòu)等效電路圖由此可知：上述低功率即為小電壓工作狀態(tài)，而中功率和高功率為大電壓工作狀態(tài)。都是描述了電路的工作狀態(tài)隨著輸入功率的逐漸增加引起的不同電路特性反映。3.3非對稱式Doherty功放以及多級Doherty功放特性根據(jù)Doherty放大器中主、輔助功放輸出能力的大小以及輸入功率的分配方式，有可以分對稱式與非對稱式DOherty放大器。上節(jié)是對對稱式的Doherty結(jié)構(gòu)進行了分析，非對稱式Doherty放大器是指主、輔助功放選用不同輸出功率能力的功放，并在功率輸入時，采用平均分配，對輸出功率能力強的功放輸入能多的信號。在非對稱Doherty放大器中，主功放的輸出功率能力一般小于輔助功放，這樣高效率的回退范圍可以大于6dB。多級Doherty放大器含有多個輔助放大器，它們之間是通過四分之一波長線來組合的與一般的AB類或B類放大器相比，其在整個輸出功率范圍內(nèi)的平均功率較高，但其復(fù)雜性較高，實現(xiàn)難度大。（a）(b)圖7（a）多級Doherty放大器（b）多級Doherty漏極效率曲線注：其中對于2級、3級、4級Doherty放大器，其高效率的回退范圍分別為6dB、12dB、18dB。4.LINC技術(shù)LINC技術(shù)又稱為線性化放大非線性元器件，其系統(tǒng)示意圖如下，可知該技術(shù)包括：信息分離技術(shù)；高效率放大器；相位增益的不平衡校正以及高效率頻率合成器。圖8LINC發(fā)射機基本框圖假設(shè)輸入信號的復(fù)數(shù)表達式，其中信號分離，其中，由此可知，原始信號的全部信息已經(jīng)由信號分離技術(shù)轉(zhuǎn)移到相位信息和中，從原始信號分離出和：，可得，為了完成調(diào)制，將分離得到的兩路信號和進行三角展開：調(diào)制示意圖(b)信號分離結(jié)構(gòu)圖圖9信號調(diào)制與信號分離最終利用正余弦表可以得到和：由此可得：原始信號分離后，經(jīng)過調(diào)制就可以進行射頻放大了，原始信號通過信號分離后得到兩個包絡(luò)信號，這樣可以使用高效率的放大器對分離后的信號和進行放大。5.包絡(luò)跟蹤技術(shù)（ET）和包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)（EER）包絡(luò)跟蹤技術(shù)原理是根據(jù)射頻信號的包絡(luò)，來改善直流供電電壓以提高功放效率的技術(shù)。如下圖所示為包絡(luò)跟蹤技術(shù)系統(tǒng)框圖。包絡(luò)檢波器用于檢測輸入信號的包絡(luò)；DC-DC變換器可以對功率放大器的供電電壓進行適時調(diào)整；延遲線是必須需要的，作用是補償由于包絡(luò)反饋途徑引起的包絡(luò)和射頻信號之間的相位不匹配。與EER技術(shù)不同的是，包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)使用的是線性功率放大器。相比而言，EER技術(shù)因為使用了更高效的非線性放大器而有更高的效率，但同時設(shè)備的復(fù)雜度也相應(yīng)大大提高了。圖10包絡(luò)跟蹤技術(shù)系統(tǒng)框圖EER發(fā)射機在整個輸入功率回退范圍內(nèi)具有高效率的特點，其平均效率要比一般的AB類放大器高3~5倍。一類功率放大器放大包絡(luò)信號，而另一類功率放大器則負責(zé)射頻相位調(diào)制信號，包絡(luò)信號的高效率放大可以使用B/E/F類等非線性功率放大器。功率放大器最后一級的振幅調(diào)制可以恢復(fù)相位調(diào)制信號的包絡(luò)，恢復(fù)到與輸入信號具有一樣的幅度變化，同時為了減小相位和振幅的不匹配，必須采用延時線。圖11傳統(tǒng)模擬包絡(luò)分離和恢復(fù)方案小結(jié)：本文提出了幾個提高微波功率放大器效率技術(shù)方法，包括諧波控制技術(shù)，負載牽引技術(shù)，Doherty功放技術(shù)，LINC等等。文本通過對高效率微波功放技術(shù)的分析，詳細介紹了目前常采用的幾種技術(shù)研究方法，并深入闡述了Doherty功放技術(shù)的各類工作原理與設(shè)計方法。隨著高速數(shù)字信號處理的飛速發(fā)展，高效率微波功放技術(shù)的研究也在越來越被重視與利用，如何靈活利用各種方法，在不同場合利用不同技術(shù)方法或在同一場合綜合使用幾種功放高效率技術(shù)進行研究值得繼續(xù)研究與探索。參考文獻：[1]董磊.諧波控制類高效率功率放大器研究.[碩士學(xué)位論文].成都:電子科技大學(xué).2012[2]孫殿舉.吳學(xué)杰等.負載牽引法在開關(guān)類功率放大器設(shè)計中的應(yīng)用.四川:西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室.現(xiàn)代電子技術(shù)學(xué)報.2010[3]向永波.王光明.線性Doherty功放的優(yōu)化設(shè)計.空軍理工大學(xué).微波學(xué)報.2010[3牛吉凌.高效率Doherty功率放大器的研制.[碩