射频电路基础

射频电路基础

论文

课题：射频放大电路的设计

班 级: 1 0 信息对抗技术
学 号:
学生姓名:
指导教师: 胡晓阳、刘淑华
完成日期: 2 01 3 — 0 6 — 0 7

摘要

射频功率放大器是各种无线发设计的主要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，须经过一系列的放大（如缓冲级、中间放大级、末端功率放大级），在获得足够的射频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获取足够大的射频输出功率，必须采取射频功率放大器。现代通讯系统对发射机的要求越来越高,射频功率放大器作为发射机的重要部件,对发射机系统的性能指标起着关键作用,功率放大器在整个无线通信系统中是非常重要的一环,因为它的输出功率决定了通信距离的长短,其效率决定了电池的消耗程度及使用时间,所以设计性能指标良好的射频功率放大器有着非常重要的意义。本文借助Smith圆图进行建模仿真,在这个基础上对晶体管的稳定性进行了分析,对输入输出阻抗匹配电路进行了仿真优化设计。

关键词：射频功率放大器；晶体管；Smith圆图；

1绪论
射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。射频功率放大器是对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题作综合考虑的电子电路。在发射系统中，射频功率放大器输出功率的范围可以小至mW，大至数kW，但是这是指末级功率放大器的输出功率。为了实现大功率输出，末前级就必须要有足够高的激励功率电平。

1.1射频功率放大器线性化技术国内外研究现状
RF功率放大器的线性化技术研究可以追溯到1920年，1928美国人Harold．S．Black在贝尔实验室工作的发明了负反馈和前馈技术并应用到放大器设计中，功率放大器的失真得到了明显的改善。当时的线性化技术都是从器件本身来改善功率放大器的线性度，并且工作的频率也比较低。在无线通信技术的兴起和飞速发展的过程中，RF功率放大器的线性化技术得到空前的发展，主要体现在以下三方面：

代表性的技术包括自适应前馈线性化技术、Linear amplification using Nonlinear 1.随着功放线性化技术得到广泛研究和发展，大批线性化技术已露端倪，其中具有 2.研究也从器件的非线性化设计扩展到了整个系统的设计，开始着手从系统的角度

改善射频功放的非线性问题。

3.世界各国的学术界和工业界在该技术的研究上投入了大量的人力、物力，对射频功放的线性化技术研究都非常重视。相比之下，我国对该技术投入不够，需要加大研究力度。

2射频功率放大器的主要技术指标
射频功率放大器电路设计需要对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸、和重量等问题进行综合考虑。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，这是研究射频功率放大器的关键。

2.1输出功率
功率放大器的功率指标严格来讲又有标称输出功率和最大瞬间输出功率之分。前者就是额定输出功率，它可以解释为谐波失真在标准范围内变化、能长时间安全工作时输出功率的最大值；后者是指功率放大器的“峰值”输出功率，它解释为功率放大器接受电信号输入时，在保证信号不受损坏的前提下瞬间所能承受的输出功率最大值输出功率。在发射系统中，射频末级功率放大器输出功率的范围可小到毫瓦级（便携式移动通信设备）、大至数千瓦级（发射广播电台）。为了要实现大功率输出，末级功率放大器的前级放大器单路必须要有足够高的激励功率电平。显然大功率发射系统中，往往由二到三级甚至由四级以上功率放大器组成射频功率放大器，而各级的工作状态也往往不同。

集成电路或电子管作为射频功率放大器。 在射频功率方面，目前无论是在输出功率或 根据对工作频率、输出功率、用途等的不同要求，可以用晶体管、FET、射频功率 合成技术，输出功率可以达到3000W。

2.2效率
效率是射频功率放大器极为重要的指标，特别是对于移动通信设备。定义功率放大器的效率，通常采用集电极效率ƞc和功率增加效率PAE两种方法。

2.2.1集电极效率

集电极效率定义：集电极输出有用功率

p

out

与电源供给的直流功率

p

dc

的比值，用

η

c

表示，即



P out



100％



P out



100％

（3.1.1）

η

c

P dc

P out



P c

2.2.2 功率增加效率（PAE，power added efficiency） 功率增加效率定义为输出功率p out与输入功率p in的差与电源供给功率p dc之比，即 功率增加效率PAE 的定义中包含了功率增益的因素，当有比较大的功率增益，即 ηPAEPAE P out P  dc P in      1- A 1 p     ηC （3.1.2）

P out



P in

时，有

η

C



PAE

。如何提高输出功率和保证高的效率，是射频功率放大器设

计目标的核心。

2.3线性ƞ
衡量射频功率放大器线性度的指标有三阶互调截点（IP3）、1dB压缩点、谐波、邻道功率比等。邻道功率比衡量由放大器的非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度。

ƞ
由于非线性放大器的效率高于现行放大器的效率，因此射频功率放大器通常采用非线性放大器。但是分线性放大器在放大输入信号的放大的同时会产生一系列的有害影响。从频谱的角度看，由于非线性的作用，输出信号中会产生新的频率分量，如三阶互调分量、五阶互调分量等，它干扰了有用信号并使被放大的信号频谱发生变化，即频带展宽了。

从时域的角度，对于波形为非恒定包络的已调信号，由于非线性放大器的增益与信号幅度有关，因此使输出信号的包络发生了变化，引起了波形失真，同时频谱也发生了

性放大器，还存在使幅度变化转变为相位变化的影响，干扰了已调波的相位。非线性放 变化并引起了频谱再生现象。对于包含非线性电抗元件（如晶体管的极间电容）的非线 往是非恒定的，因此非线性放大器的频谱再生作用使发射机的这些性能指标变差。

2.4杂散输出与噪声
对于通过天线双工器公用一副天线的接收机和发射机，如果接收机和发射机采用不同的工作频带，发射机功率放大器产生频带外的杂散输出或噪声若位于接收机频带内，就会由于天线双工器的隔离性能不好而被耦合到接收机前端的低噪声放大器输入端，形 因此必须功率放大器的带外寄生输出，成干扰，或者也会对其他相邻信道形成干扰。

而且要求发射机的热噪声的功率谱密度在相应的接收频带出要小于-130dBm/Hz，这样对接收机的影响基本上可以忽略。ƞ

3射频功率放大器的分类及特点
射频功率放大器的工作频率很高，按工作频带分为窄带射频功率放大器和宽带射频功率放大器。窄带射频功率放大器相对频带较窄，一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为180°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于90°，丙类放大器电流的导通角则小于90°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。

除了以上几种按照电流导通角分类的工作状态外，还有使电子器件工作于开关状态的丁（D）类放大器和戊（E）类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。还有一类高功率放大器，即F类、G类、H类和S类。

A 类射频功率放大器电路属于线性放大器，放大器电流的导通角θ=180°，即在正 3.1.1A 类射频功率放大器电路 包络已调波。ww. 所谓B 类就是不给三极管加静态偏置电流，且用两只性能对称的三极管来分

别放大信号的正半周和负半周，正、负半周再在的负载上将正、负半周信号合成一个完整的周期信号。由于这种没有给功放输出管加入静态电流，它会产生交越失真，这种失真是非线性失真的一种，对声音的音质破坏严重。所以，B类电路是不能用于音频电路中的。

3.1.3AB类(甲乙类)

AB类(甲乙类)，实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合，每个器件的导通

时间在50—100％之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类的偏置按B类

(乙类)设计，然后增加偏置电流，使进入AB类(甲乙类)。

AB 类(甲乙类)在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于

A类(甲类)；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。这样在AB类(甲乙类)状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类(甲类)或B类(乙类)。不过，它的正当使用在于它对A类(甲类)的补充，且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。

3.1.4C类(丙类)
C 类(丙类)，是指器件导通时间小于50％的工作类别。这类放大器，一般用于射频放大，很难找到用于音频放大的实例。

3.1.5D类(丁类)
这类，其特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占

效率在理论上来说是很高的。但是，实际困难还是非常大的，因为200kHz 的高功率方 空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制(PWM)，其 www.tadocs.com

分，这至少需要4个电感(考虑立体声)，成本自然不会低。此外，表现在频响方面，它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。

3.1.6E类(戊类)
这类，是一个极端聪明的半导体技术应用，它在几乎所有工作时间内，通过的电压或电流是较小的，亦即功率耗散很低。遗憾的是，它仅用于射频技术，而不用于音频。

3.1.7F 类(己类)
这类，就我目前所知并不存在，似乎是需要补充的空缺。

3.1.8G类(庚类)
这类，似乎与B类(乙类)或AB(甲乙类)的有些类似。对于小的输出信号，它的供电电流来自低电压源；而对于‘大信号’，供电将转换到较高的电压源。这样，一定比B类(乙类)的效率更高。但是，这种改进似乎不能超越多路输出器件的成本以及使开关二极管在高频时转换干净利落的技术难点，以致使其使用不适合某些高功率的专业设备。此外，G类(庚类)所产生的失真，大概要比相应的B类(乙类)更大，但也有资料显示，对转换细节进行精心设计，将会使其差别较小。

3.1.9H类(辛类)
这类，也似乎与B类(乙类)相似，其特点在于动态地提升单供电电压(不用

3.1.10S 类 转换到另一个电压源)，以提高效率，所采用的电路结构是自举电路。 ww.taoo.com

呈现为一较高的电阻。

3.2电子管功放输出级的特点
电子管功放的功率输出级有三种电路类型，一类是有输出变压器的推挽输出电路。这类输出电路类型在电子管功放中占了绝大多数。在推挽电路中的输出变压器中直流成分很少，二次谐波失真也很小，这类电路的输出功率可以做得比较大，所以适用范围也比较大。

另一类功率输出级的电路类型是单端甲类电路。这类电路也有变压器，但这类电路的输出变压器中有很大的直流成分，对输出变压器的要求比推挽输出电路中输出变压的要求要高。另外对供电电源的要求也比较高。这类输出电路的特点是二次谐波成分比较

多，尽管这是一种谐波失真，但对音乐信号来说，二次谐波是高度的谐合音，所以听起 来很入耳。

还有一类电子管功放的输出级电路是OTL电路，所谓OTL电路就是无输出变压器电路。现代的晶体管功放输出级几乎全是OTL电路或是OTL电路的改进型。但是这类输出级的功放电源效率低，设计、工艺、调试都比较复杂，目前这类输出电路的功放仅见于一些高档机种中，很难见到低价位的普及型机种。

4
4.1概述
(Smithchart)又称史密夫图表是一款用于电机与电子工程学的图表，主要用于传输线的阻抗匹配上。一条传输线(transmissionline)的电阻抗力(impedance)

史密夫图表的特点便是省却一些计算程序。 会随其长度而改变，要设计一套匹配(matching)的线路，需要通过不少繁复的计算程序， ww.taodocs.cm 一些计算程序。

4.2 计算

计算公式：

(4.1 )

当中的Γ代表其线路的(reflectioncoefficient)，即（S-parameter）里的S11，ZL是归一负载值，即ZL/ Z0。当中，ZL是线路本身的负载值，Z0是传输线的特征阻抗（）值，通常会使用50Ω。

图表中的圆形线代表电阻抗力的实数值，即电阻值，中间的横线与向上和向下散出的线则代表电阻抗力的虚数值，即由电容或电感在高频下所产生的阻力，当中向上的是正数，向下的是负数。图表最中间的点(1+j0)代表一个已匹配(matched)的电阻数值(ZL)，同时其反射系数的值会是零。图 表的边缘代表其反射系数的长度是1，即100%反射。
在图边的数字代表反射系数的角度(0-180度)和

波长(由零至半个波长)。

4.3史密斯圆图基本意义
1.阻抗圆的上半圆内，x>0，其电抗为感抗，下半圆内，x<0，其电抗为容抗。2.阻抗圆图的实轴x= 0，实轴上每一点对应的阻抗都是纯电阻，称为纯电阻线。

3. 4.实轴左端点，即左实轴与的圆的交点，z=0，代表阻抗短路点，而右实轴与 的圆的 [s]的圆，r = 0，其上对应的阻抗都是纯电抗，称为纯电抗圆。0.62 2 . 58140 20 0 0.06 . 53-120 10    交点，即右端点，z = ，代表开路点。圆图中心z=1，，= 1，称为阻抗匹配点。
5.等R 线：其轨迹为一族圆，圆心坐标为	( 	1 , 0 )	，半径为1/(r+1)。

6.等X线：其轨迹为一族圆，圆心坐标为(1，1/x)，半径为1/x。4.4注意事项

1. 旋转的方向问题：传输线由负载向电源方向移动（l 增大），在圆图上应顺时针方向 旋转；反之，由电源向负载方向移动（l 减小），则应逆时针方向旋转。 2. 反射系数值圆图上未标出，计算时需将半径等分来确定：圆图中心| |=0，最大圆周 直接读取。 的| |=1。有的圆图在下面附有相应计算尺，其上标有反射系数、驻波系数，计算时可 4. 为了避免圆图上出现几次零值点，电长度从为起始点归一化阻抗点z 所对应的电

长度是由连接圆图中心和z点的直线延长与电长度圆周的交点来确定，而不是由z 所在的电抗曲线与电长度圆周的交点来确定。

5射频放大电路设计
5.1射频放大电路的设计条件
下面是一个基于集总参数匹配网络实现最大功率增益的晶体管放大电路设计在

2GHz 频率时，测量一个晶体管在直流工作点

Vce



5 V

,

IC



10

mA

,其S 参数为：

使用这个晶体管设计一个工作在2GHz的射频放大电路，要求获得最大功率增益。

5.2射频放大电路设计过程
5.2.1检验稳定条件

		S 11	S	22		S 12	S		21			0 . 147		1	(5.1)
															(5.2)
		K			2 . 29					1

晶体管满足绝对稳定条件。

5.2.2检验使用单向传输模型带来的误差

	U		0 . 05			0 . 45 dB	(5.3)
							(5.4)
	0 . 43 dB				G G TU max

5.2.3计算放大电路的最大功率增益

GS max 1 1 S 11 21 . 431 . 55 dB (5.5) GL max 11 . 250 . 97 dB (5.6) 0 . 91
G TU max		G	max		G O		G	max		11 . 55 dB	(5.8)
			S					L

与11.55dB的最大增益相比，可以忽略±0.5dB的增益误差，采用单向传输模型进行放大电路设计。

输入和输出匹配网络设计：在单向传输模型中，

in

S 11

和

out

S

22

。利用smith

圆图进行阻抗匹配的设计，如下图所示。在输入匹配网络中，从晶体管出发串联一个电

容，再并联一个电感；在输出匹配网络中，从晶体管出发并联一个电容，再串联一个电感。匹配网络中的电感和电容可以在smith圆图上得到。

图5.1smith圆图
5.3射频放大电路的实现
根据上述计算可以得到基于集总参数匹配滤波电路设计的射频放大电路，如图示。窄带放大电路设计中如果没有给出对品质因数或者频率响应的要求，可以采用集总参数的L形匹配电路进行输入和输出匹配电路的设计。L形匹配电路的结构简单，能满足一般的设计要求。

如果要实现完整的射频晶体管放大电路，则需要知道更多的晶体管参数。

参考文献
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