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射頻功率放大器基本概念、分類及電路組成
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來(lái)源：與非網(wǎng)
日期：2020-09-22 15:26:37
摘要：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。
基本概念
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 RF PA 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“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
根據(jù)工作狀態(tài)的不同，功率放大器分類如下：
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（C）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。
1-1、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，這決定了給它匹配的難易程度。
1-2、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)樗麄兺茈y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)。
1-3、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。
典型的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)有 L 匹配、π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。π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π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?zhàn)龅煤?，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，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(méi)有效率的方法，因?yàn)?PA 降低 10%的操作功率，會(huì)損失掉 90%的 DC 功率。
現(xiàn)今大部分的 RF PA 皆支持多種模式、頻率范圍及調(diào)制模式，使得測(cè)試項(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)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(鍺)、Si(硅)→→→GaAs(砷化鎵)、InP(磷化銦)→→→SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)、SiGe(鍺化硅)、SOI(絕緣層上覆硅) →→→碳納米管(CNT) →→→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 CMOS 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，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)(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。
2-1、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 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。
2-2、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，但卻是很關(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)該與雙音信號(hào)通過(guò)功放的輸出幅度相等而相位相反，即自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊就是要調(diào)節(jié)查找表的輸入，從而使輸入信號(hào)與功放輸出信號(hào)的差別最小。注意到輸入信號(hào)的包絡(luò)也是查找表的一個(gè)輸入，反饋路徑來(lái)取樣功放的失真輸出，然后經(jīng)過(guò) A/D 變換送入自適應(yīng)調(diào)節(jié) DSP 中，進(jìn)而來(lái)更新查找表。
2-3、前饋
前饋技術(shù)起源于"反饋"，應(yīng)該說(shuō)它并不是什么新技術(shù)，早在二三十年代就由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出來(lái)的。除了校準(zhǔn)(反饋)是加于輸出之外，概念上完全是"反饋"。
前饋線性放大器通過(guò)耦合器、衰減器、合成器、延時(shí)線、功分器等組成兩個(gè)環(huán)路。射頻信號(hào)輸入后，經(jīng)功分器分成兩路。一路進(jìn)入主功率放大器，由于其非線性失真，輸出端除了有需要放大的主頻信號(hào)外，還有三階交調(diào)干擾。從主功放的輸出中耦合一部分信號(hào)，通過(guò)環(huán)路 1 抵消放大器的主載頻信號(hào)，使其只剩下反相的三階交調(diào)分量。三階交調(diào)分量經(jīng)輔助放大器放大后，通過(guò)環(huán)路 2 抵消主放大器非線性產(chǎn)生的交調(diào)分量，從而了改善功放的線性度。
前饋技術(shù)既提供了較高校準(zhǔn)精度的優(yōu)點(diǎn)，又沒(méi)有不穩(wěn)定和帶寬受限的缺點(diǎn)。當(dāng)然，這些優(yōu)點(diǎn)是用高成本換來(lái)的，由于在輸出校準(zhǔn)，功率電平較大，校準(zhǔn)信號(hào)需放大到較高的功率電平，這就需要額外的輔助放大器，而且要求這個(gè)輔助放大器本身的失真特性應(yīng)處在前饋系統(tǒng)的指標(biāo)之上。
前饋功放的抵消要求是很高的，需獲得幅度、相位和時(shí)延的匹配，如果出現(xiàn)功率變化、溫度變化及器件老化等均會(huì)造成抵消失靈。為此，在系統(tǒng)中考慮自適應(yīng)抵消技術(shù)，使抵消能夠跟得上內(nèi)外環(huán)境的變化。
