高频功率放大器设计.ppt

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1、1提高功率放大器的线性，是当前微波电路设计研究的热点。2工作频带是指放大器应满足全部性能指标的连续频率范围。硅双极型晶体管功率放大器和硅金属氧化物场效应管功率放大器的工作频率是从300MHz到4GHz（注：以上数据是1995年前水平），砷化镓场效应管功率放大器的工作频率是从一吉赫到几十吉赫。为了适应通信技术的发展，专门开辟了标准通信频道，工作带宽从0.5GHz到1GHz，如表7-1所列。表 7-1 微波通信专用频段频段C频率(GHz)3.74.24.45.05.35.95.96.46.47.27.17.77.78.5频段X,Ku频率(GHz)9.510.510.711.711.712.212.

2、713.214.014.531饱和输出功率当功率放大器的输入功率加大到某一值后，再加大输入功率并不会改变输出功率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率。21dB压缩点输出功率P1dB功率放大器增益压缩1dB所对应的输出功率称为1dB压缩点输出功率，记作P1dB。最好的功率匹配并不能得到最好的增益匹配。通常高功率器件的增益低于低功率器件的增益。在宽带系统中要想得到较好的功率输出是很难实现宽带匹配的。4功率放大器的功率效率0是功率放大器的射频输出功率与供给晶体管的直流功率之比。直流输入功率射频输出功率P（7-1）对于双极晶体管情况，P称为集电极效率，对于 MOSFET 和 MESFET，称

3、之为漏极效率。显然，这种定义并没有考虑晶体管的放大能力，即具有相同功率效率的两个晶体管的功率增益可以差别很大。通常，在设计功率放大器时，希望用功率增益高的功率晶体管。为此，又给出另一种定义直流输入功率射频输入功率射频输出功率 add（7-2）add称为功率放大器的功率附加效率，它既反映了直流功率转换成射频功率的能力，又反映了放大射频功率的能力。很明显，用功率附加效率add衡量功率放大器的功率效率是比较合理的。5交调失真是具有不同频率的两个或更多的输入信号经过功率放大器而产生的混合分量，它是由于功率放大器的非线性造成的。若输入 l 个信号，其角频率分别是1、2、l，由于功率放大器的非线性作用，输

4、出分量中将包含许多混合分量,2,1,0,21pnmpnml各分量分别称为（m+n+p）阶交调分量。功率放大器的非线性越强，交调分量越大。交调分量的大小可以用交调系数表示，假如输入 l 个等幅信号，（m+p）阶交调系数可以写成dBc lg10lg101lpmpmpmPPPPM式中，P1、Pl分别对应于角频率1、l的波输入功率；Pm+p是（m+p）阶交调功率。Mm+p的单位是 dBc，它的含义是交调分量比载频分量的分贝数。6等幅信号输入功率放大器时，输出信号中存在各种阶次的交调分量，其中三阶交调分量（2i i+1和i+12i）和与基波信号角频率（i和i+1）非常接近，不可能把它从信道中滤除，因此，

5、三阶交调分量就成为干扰信号。同理，五阶交调分量（3i 2i+1和 3i+12i）也是干扰信号，但它比三阶交调分量要小得多，在系统要求不严时可以不考虑。三阶交调系数dBc lg10lg101333iiPPPPM式中，Pi和 Pi+1是分别对应角频率i和i+1的基波信号输出功率；P3是三阶交调频率（2i i+1和 2i+1i）处的三阶交调功率；三阶交调系数是度量微波功率放大器非线性的一项重要指标，不同的系统对它的要求是不一样的。7(1)P1dB点三阶交调系数M3(1dB)P1dB和M3(1dB)是度量微波功率放大器非线性的两个不同指标，它们之间有一定联系。假定微波功率放大器是一个无惯性非线性网络，

6、且在P1dB点的幅度非线性很小，在上述两个假设条件下，两个角频率为1和2的等幅信号输入时，P1dB点的三阶交调系数近似为由于理论分析中的假设，实际测量的误差以及微波晶体管实际非线性特性优劣程度的不一致，在工程估算时，常取M3(1dB)为20dBc。这里还得注意，上式仅适用双信号等幅情况，如果三信号等幅输入时，上式就不适用了。3 1dB23.75dBcM 8(2)任意输入功率的三阶交调系数M3图7-1是双频等幅信号输入时基波信号输出功率和三阶交调功率对应基波信号输入功率的变化特性。由图看出，基波信号输出功率与输入功率是1:1（dB数）变化关系，即输入功率增加1dB时，输出信号也增加1dB。三阶交

7、调产物与基波信号输入功率是3:1（dB）变化关系，即基波信号输入功率增加1dB，使三阶交调系数M3恶化2dB。根据上述变化特性，任意输入功率Pin时的三阶交调系数M3可由下式估算式中 Pin基波信号（1或2）输入功率；Pin(1dB)基波信号1dB增益压缩点输入功率。注意上式中各变量都是以dB为运算单位。图7-1中基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性延长线的交点称为三阶交调交截点。313 12inindBdBMPPMdBc9(3)三阶交调交截点图7-1中基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性延长线的交点称为三阶交调交截点，用符号IP3表示，对应的输出功率是P1，它也反映了微波功率放大器的

8、非线性，当输出功率一定时，三阶交调交截点输出功率P1越大，微波功率放大器的线性就越好。由P1也可以估计三阶交调系数式中，Pout是基波信号输出功率。所有变量都是以dB为运算单位，它只适用信号功率较小的情况。三阶交调交截点比1dB压缩点大10dB，它是放大器在A类工作时的一个假想点。312dBcoutMPP10(4)不等信号的三阶交调系数 M3NE不等信号的三阶交调系数可以从等信号的三阶交调系数得到，两者有如下关系dBAAMMnpAAAApnpn233 （dBc）式中 An和 Ap基波信号（n或p）幅度；pnAAM3两个相等的基波输入信号经功率放大器后产生的三阶交调系数，即前面各公式中用符号 M

9、3表示的交调系数；pnAAM3两个不等的基波输入信号经功率放大器后产生的三阶交调系数，即前面各公式中用符号 M3NE表示的交调系数；第二项小括号内的 Ap/An是取功率比值的 dB 数。上式可改写为dBAAMMnpNE233 （dBc）11(1)二阶交调系数两个角频率为1和2的等幅基波信号同时输入微波功率放大器时，非线性引起的二阶交调（21）失真比二次谐波（21和22）失真严重，大了6dB，它也比三阶交调失真严重。由于二介交调是二阶非线性引起的失真，从电路结构的角度分析，可以用平衡电路减小这种失真。此外，在窄带系统中，二阶交调分量偏离基波信号频率较远，可以采用滤波技术减小它对系统的影响，故设计

10、窄带功率放大器时并不考虑这一项技术指标。而在多信号宽带传输系统（如电缆电视系统）中，二阶交调产物是落在信号通道内，此时，无法用滤波器去减小它对系统的影响，因此，设计宽带功放时必须考察这一项技术指标。二阶交调系数式中 P2频率为21的二阶交调功率；P1和P2对应角频率1和2的信号输出功率。因此，在多信号宽带传输系统中，二阶交调系数也是功率放大器非线性的一项重要指标，它的大小取决于电路结构及其工作状况。2221210lg10lg dBcPPMPP122、二阶交调交截点同三阶交调交截点一样，二阶交调交截点是二阶交调特性延长线与基波信号输出功率特性延长线的交点。用符号IP2表示。二阶交调产物与基波信号

11、输入功率呈2:1(dB)变化关系，即基波信号输入功率增加1dB，使二阶交调系数恶化1dB。图7-2 二阶交调交截点13具有三个不同角频率1、2和3的信号同时输入到功率放大器时，其中1和2非常接近，而3离开1和2比较远，这时在功率放大器输出端出现3(21)失真分量。通常把这种失真归结为三阶失真这一类。为了把它与三阶失真 221和 212区分开，也把这种失真称为三拍失真。（1）多信号情况如果有 m 个输入信号存在，功率放大器输出将含有!3!3!434mmm个三拍频率，即存在34m个三拍失真频率。三拍失真的大小可以用三拍失真系数表示，即nqpnqpnPPMlg10 （dBc）式中qpnP是功率放大器

12、在三拍失真角频率n+pq处的输出功率；nP是功率放大器在基波角频率n处的输出功率。14（2）等信号三拍失真系数如果输入到功率放大器的基波信号角频率也是n和p，幅度正好相等，且等于三信号中（n、p和q）每个信号输入到功率放大器的信号幅度，则三拍失真系数比三阶交调系数恶化了 6dB，即dB63pnqpnAAMM （dBc）式中，pnAAM3是等信号三阶交调系数。从上式可以看出，三拍信号功率增加1dB 时，三拍失真系数将恶化 2dB。（3）不等信号三拍失真系数如果输入到功率放大器的基波角频率是n和p，幅度不相等，即 AnAp。三信号中（n、p和q）输入到功率放大器的信号幅度满足条件 AnAp和 Ap

13、Aq，则不等信号三拍失真系数为dB2dB63npNEAAMMqpn （dBc）式中，第三项小括号内的 Ap/An是取功率的 dB 数；M3NE表示不等信号的三阶交调系数。15在微波功率放大器中，由于非线性作用，一个信号的调制被转换到另一个信号上的现象被称为交扰调制。当输入信号是 ttVVVtVtVpmpmpnnincoscos1cos（7-15）上式中包含一个无调制载频n和一个幅度调制信号p，调制频率是m，展开上式，有 tVtVtVtVtVppmpmmpmnnincoscos2cos2cos（7-16）由上式看出，一个调制信号和一个非调制信号可以被看成四个独立的信号，写成 tVtVtVtVtV

14、rrqqppnnincoscoscoscos（7-17）其中，mrqVVV21；mpq，mpr。在输出信号中，交扰调制失真出现在n+m和nm处，由于rpnpqnmn（7-18）rpnpqnmn（7-19）这就可以把交扰调制边带看成是四个信号（n、p、q和r）引起的三拍失真分量16rpnpqnmn（7-18）rpnpqnmn（7-19）从式（7-18）和（7-19）可以看出，它包含下述两种情况。1一个干扰信号的情况交扰调制是系统不需要的信号，因此把调幅信号看成是干扰信号。下面先讨论存在一个干扰信号的情况。交扰调制的大小可以用交扰调制系数 Mc表示，Mc可以用两个非调制信号，即幅度为 Ap和 An

15、的三阶交调系数来计算npAAcAAdBMdBMMpnpqnlg2063（dBc）（7-20）式中pnAAM3两个等幅基波信号（n和p）输入到功率放大器后产生的三阶交调系数；M调幅信号的调制度，以 dB 计算；Ap和 An调幅信号和非调幅信号的幅度，Ap=Vp，An=Vn。如果调幅信号的幅度等于非调幅信号的幅度 Ap=An，则交扰调制系数)(63dBMdBMMpnpnpqnAAAAc（7-21）172m 个干扰信号的情况如果交扰调制失真是由 m 个干扰信号造成的，它们具有相同的幅度，且同步调幅，则 m 个干扰信号造成的交扰调制失真系数是mMMpnpAAcmAclg20,（dBc）式中pnAAcM

16、就是式（7-21）中的pnpqnAAcM；m 是干扰信号的数目。181调幅调相效应分析大信号通过微波功率放大器时，输出信号会产生相移，相移大小随输入信号功率的大小而变化，这种现象称之为调幅调相效应。微波功率放大器可以看成是一个三阶非线性系统，它的载波输出信号同时含有一阶及三阶成分 （7-23）式中s基波信号的角频率；k1和k3非线性系统的一阶和三阶系数；A基波输入信号幅度。如果电路中包含容性非线性元件，则一阶和三阶系数之间就有相位差（既不是0，也不是180）。由式（7-23）看出，载波输出信号的相位与输入信号幅度有关。显然，调幅调相效应是增益压缩直接表现的结果，增益压缩得越厉害，调幅调相效应就越强，电路进入饱和状态后，调幅调相效应将非常严重。在通信系统及图象传输系统中，调幅调相效应的存在，会使群时延失真，微分相位、微分增益和交调失真变坏。因此希望尽可能减小功率放大呖呖的调幅调相效应。3133cos4sk Ak At192、调幅调相转换系数 Kp为了衡量相位失真的大小，引入调幅调相转换系数dBPddkinp/lg10180式中 Pin输入信号功率（mW）；对应输入功率 Pin的输出信号的