射频功率放大器的小信号设计法
2.1 射频小信号放大器电路主要技术指标
项指标，是很重要的。
2.1.1 增益
增益是表示放大器对有用信号的放大能力，定义为放大器的输出 信号与输入信号的比值。对于选频放大器电路，通常用在中心频
率f0（或者0）上电压增益和功率增益两种方法表示：
式中，GP1 为放大器的功率增益；Pi为放大器的输入功 率；GP3 为放大器的3阶互调功率增益；Po1为基波功率； Po3为3阶互调功率。
图2.1.3 三阶互调截点IP3示意图
在以对数形式表示的坐标上，它们是两条直线，如 图2.1.3（b）所示，图中分别标出了IIP3和OIP3的值。
图2.1.3 三阶互调截点IP3示意图
2.1 射频小信号放大器电路 主要技术指标
在无线通信系统中，到达接收机的射频信号电平多在 微伏数量级。因此，需要将微弱的射频信号进行放大。 射频小信号放大器电路是无线通信接收机的重要组成 部分。
对于射频小信号放大器电路要求具有低的噪声系数， 足够的线性范围，合适的增益，输入/输出阻抗的匹配， 输入/输出之间良好的隔离。在移动通信设备中还要求 具有低的工作电源电压和低的功率消耗。
总是大于1。
在工程中，放大器的带宽范围往往被通信系统预先确 定。因此，对于满足带宽要求的选频放大电路来说，
可以采用S参数的方法来表示图2.1.1（b）的选择性。 S参数定义为：过渡带内的某特定频率条件下的增益 A(1 )与通频带内的最大增益A0的比值，即
S A(1) / A0 （2.1.4） 显然，S值越小的电路选择性越好。
在超外差式接收机中，由于射频小信号放大器和混频 器间一般接有抑制镜像干扰的滤波器，且第一中频的 数值较高，本振信号频率位于滤波器通带以外，因此 本振信号向天线的泄漏比较小。
2.4GHz射频功率放大器的设计
毕业论文（设计）论文（设计）题目：2.4GHz射频功率放大器的设计目录中文摘要 (1)Abstract (2)第一章绪论 (3)第二章理论基础 (5)2.1 二端口网络 (5)2.2 技术指标 (6)2.2.1 输出功率 (7)2.2.2 功率增益 (8)2.3 匹配网络 (9)2.3.1共轭匹配 (11)2.3.2负载牵引 (11)2.4 传输线理论简介 (12)2.5 ADS软件简介 (12)第三章电路设计 (14)3.1器件选型和功率分配 (14)3.1.1器件选型 (14)3.1.2 功率和增益分配 (14)3.2 单级放大器设计 (15)3.2.1功率级（Power stage）设计 (15)3.2.2驱动级（Driver stage）设计 (23)3.2.3 两级功率放大器系统设计 (26)第四章总结与展望 (29)谢辞 (30)参考文献 (31)附录翻译 (33)中文摘要近年来，RFID技术的应用在全球掀起一场热潮。
2.4G技术标准由于它的广泛应用，更是成为技术和市场领域的宠儿。
RFID最重要的部分是发射机，而射频功率放大器作为发射机的核心部件，它的性能是制约整个RFID系统性能和技术水平的关键因素。
本文介绍了基于ADS用于RFID系统的2.4GHz射频功率放大器的硬件电路设计方法。
整个系统以MOSFET器件为核心功放晶体管，在2.4GHz、工作电压为3.3V 条件下，采用两级功放级联方式，前端驱动级工作于小信号状态，为后端提供高功率增益，后端功率级工作于大信号，提供高功率输出。
级联之后的效果是实现了27dB功率增益和高达近27dBm功率输出。
该系统主要应用于超高频射频识别读写器系统。
本文深入探讨了整体硬件电路的设计方案，详细阐述了电路设计的原理和方法，最后给出了具体的实现过程。
关键词：GaAs FET；RFID；ADS；2.4G无线系统；射频功率放大器AbstractIn recent years, RFID technology has led to a boom in the world. 2.4G technology standard has become a cosset of the technology and market field, just because of its wide range of applications. Transmitter is the most important part of the RFID system. As the core component of a transmitter, the performance of RFPA becomes to the key factor restricting capability and technical level of the whole RFID systemThis paper introduces a method of 2.4GHz RFPA hardware circuit designing used in RFID system based on ADS. The entire system using MOSFET component as the core power transistor contains two-stage cascade amplifiers working in 3.3V supply voltage, 2.4GHz. The driver-level works in small-signal state, providing high power gain for the back-end; power-level works in large-signal state, providing high output-power for the load. The effect after cascade is to achieve a 27dB power gain and a 27dBm output-power.We discuss the blue print of the overall hardware circuit design in this paper, expatiate the principles and methods of circuit design in detail, and finally give a concrete realization of the process.Key words: GaAs FET; RFID; ADS; 2.4G wireless system; RF Power Amplifier第一章绪论随着人类社会进入信息时代，无线通信技术有了飞速的发展，尤其是射频微波通信技术的产生和发展无疑对无线通信技术的发展起到了决定的作用。
第2章 射频小信号放大器电路
ABA52563是Agilent公司生产的宽带放大器电路芯片 ABA51563、ABA52563、ABA53563之一，工作频率 范围为DC～3.5GHz，增益为21.5dB，在整个工作频 率范围电压驻波比(VSWR)<2.0，输出P1dB为9.8dBm， 噪声系数为3.3dB，电源电压为5V，电流消耗为35mA。 ABA52563采用SOT-363/SC70封装，各引脚端功能如 下：引脚端Input为信号输入端，Output&Vcc为输出和 输出级电源电压引脚端，Vcc为前级放大器电源电压输 入端，GND1/2/3为地。
2)电作用转换成机械效应。在压电陶瓷片的极板上加 一电压u，则在陶瓷介质内建立起电场，在电场力的作 用下，陶瓷介质将发生极化并产生机械变形(伸长或收 缩)。当u的极性改变时，介质极化及机械变形的方向 也改变。 设u为某一频率的交流信号，则压电陶瓷片也按同一频 率伸缩，形成机械振动，u愈大，则振动愈强。压电陶 瓷片的机械振动有一个固有频率。如果所加电压u的频 率正好等于其固有频率，则很小的u就可使压电陶瓷片 发生很强的机械振动，即压电陶瓷片处于共振状态(谐 振状态)。
图2.33二端陶瓷元件的等效电路
图2.34二端陶瓷元件等效阻抗的频率特性
(3)三端陶瓷元件 三端陶瓷元件的结构与符号如图2.35所示，由两片陶 瓷片A和B用导电胶粘合起来，由粘合面 引出的端子作为公共端，而由另两面引出的端子分别 作为输入端和输出端。 输入信号u加在A片上，它将电能转换成机械能，并产 生机械振动。机械振动通过粘合面传到B片上，又将机 械能转换成电能，输出给外接负载RL。同样，当信号 频率与陶瓷片固有的机械振动频率相等时，形成共振。 共振状态可形成强的电流，提供最大的电流到外部电 路。在共振的条件下，输出和输入信号间可能是同相 位，也可能有180°的相位差，与A、B陶瓷片的粘合 面有关。
射频功率放大器电路设计
本文主要对射频功率放大器电路设计进行介绍，主要介绍了射频功率放大器电路设计思路部分，以及部分设计线路图一、阻抗匹配设计大多数PA都内部集成了到50欧姆的阻抗匹配设计网络，不过也有一些高功率PA 将输出端匹配放在集成芯片外部，以减小芯片面积。
常用的匹配设计有微带线匹配设计、分立器件匹配设计网络等，在典型设计中有可能会将两者共同使用，以改善因为分立器件数值不连续带来的匹配设计不佳的问题。
PA阻抗匹配设计原理和射频中的阻抗匹配相同，都是共轭匹配设计，主要实现功率的最大传输。
常用工具可以使用Smith圆图来观察阻抗匹配设计变化，同时用ADS软件来完成仿真。
二、谐波抑制由本人微博《射频功率放大器 PA 的基本原理和信号分析》得知，谐波一般是由器件的非线性产生的倍频分量。
谐波抑制对于CE、FCC认证显得尤为重要。
由于谐波的频率较分散，所以一般采用无源滤波器来衰减谐波分量，达到抑制谐波的效果。
不仅PA，其它器件包括调制信号输出端都有可能产生谐波，为了避免PA对谐波进行放大，有必要在PA输入端即添加抑制电路。
上图所示无源滤波器常用于2.4G频段的芯片输出端位置，该滤波器为五阶低通滤波器，截止频率约为3GHz，对2倍频和3倍频的抑制分别达到45.8dB和72.8dB。
使用无源滤波器实现谐波抑制有以下优点：l 简单直接，成本有优势l 良好的性能并且易于仿真l 可以同时实现阻抗匹配设计三、系统设计优化系统设计优化主要从电源设计，匹配网络设计出发，实现PA性能的稳定改善。
3.1 电源设计功率放大器是功耗较大的器件，在快速开关的时候瞬间电流非常大，所以需要在主电源供电路径上加至少10uF的陶瓷电容，同时走线尽量宽，让电容放置走线上，充分利用电容储能效果。
PA供电电源一般有开关噪声和来自其它模块的耦合噪声，可以在PA靠近供电管脚处放置一些高频陶瓷电容。
有必要也可以加扼流电感或磁珠来抑制电源噪声。
从SE2576L的结构框图可以看出，该PA一共由三级放大组成，每一级都单独供电，前面两级作为小信号电压增大以及开关偏置电路，其工作电流较小，最后一级功率放大，其电流很大。
射频和微波放大器设计
为B类工作旳放大器称为AB类放大器。
➢ C 类（丙类）放大器 • 放大器在整个信号周期内，晶体管在工作区工作旳时间
明显少于半个信号周期旳放大器为C类放大器。
小信号放大器设计
小信号放大器设计旳基 本环节
选择合适旳器件或芯片 o 工作频率 o 增益 o 噪声 o 功率电平
小信号放大器设计
窄带放大器设计 o 工作带宽不大于10%旳放大器可以为是窄带放大器
窄带放大器分类 最大增益放大器 高增益放大器 最低噪声放大器
高增益放大器设计举例
例 15.1 设计一工作频率为3GHz，增益为15dB旳放大器，选择如
下S参数旳双极晶体管（VCE=4V ，IC=5mA）：
宽带放大器（BBA）设计 ——负反馈技术（分析）
➢ 取得最小输入和输出驻波比旳条件
➢ 设计举例
宽带放大器（BBA）设计 ——负反馈技术（高频情况）
伴随工作频率旳增长，S21旳相位将趋向于900， 也就是说可能出现正反馈旳成份，由此引起放 大器旳不稳定，为了确保放大器旳稳定性，能 够在并联反馈元件上附加一种串联电感，以变 化反馈分量旳相位。
功率放大器旳最小信号电平和动态范围
最小信号电平 放大率Po,mds，必须不小于放大器旳输出噪声功率。 • Po,mds定义为高于输出噪声功率电平 x 分贝。
或
功率放大器旳最小信号电平和动态范围
功率放大器旳动态范围 功率放大器旳动态范围定义为放大器旳线性最
交调对接受系统旳影响分析
对于窄带功率放大器，除了三阶交调项（即 2f1-f2和2f2-f1）外，全部附加旳频率分量都能 够经过滤波器被滤除掉。
C波段射频功率放大器的设计
C波段射频功率放大器的设计作者：娄崇义苏莹来源：《科技资讯》 2013年第34期娄崇义苏莹（长春理工大学??吉林长春 ?130022）摘要：射频功率放大器是发射机的重要组件，它的设计成了微波发射系统的关键。
氮化镓功率管的宽带隙、高击穿电场等特点,使其具有带宽宽,高效特性等优点。
本文使用ADS仿真软件对一款功率放大器进行仿真和电路设计，根据晶体管的小信号S参数和I-V曲线，对功率管的输入、输出阻抗匹配电路及其偏置电路进行优化设计，使其性能达到设计要求。
在4GHz～6.5GHz的频段内，对输入功率为0dBm射频信号，输出大于38dBm的射频信号，带内波动≤±1dB。
关键词：增益平坦度；GaN；半导体；小信号方法；功率放大器中图分类号：TN722.1文献标识码：A文章编号1672-3791(2013)12（a)-0000-00新一代半导体功率器件GaN高电子迁移率晶体管。
具有宽禁带、高击穿场强、高功率密度等优点,理论上特别适合应用于高频、高功率的功率器件的场合。
由于具备这些优点,宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能,广泛应用于雷达、通信、战斗机、海洋勘探等重要领域。
本文使用Agilent ADS仿真软件设计出一款2.5G带宽的C波段功率放大器，可用于雷达发射机、无线通信及软件无线电的驱动级或末级功率放大模块，其主要技术指标为：工作频率为4GHz～6.5 GHz的频段内；输入功率为0dBm；输出平均功率38dBm；带内波动≤±1dB。
1射频功放的工作原理本设计的射频功率放大器，根据该放大器的工作频带、输出功率等特点。
在进行功放总体设计时，采用分级设计，再进行级联的设计方法，本功放模块采用两级放大，驱动级采用C波段的功率放大模块EMM5078ZV，在功放级使用GaN功率管TGF2023，功放总体设计如图1所示，功放级电路侧重于保证输出功率的设计，驱动级放大电路则侧重于提升增益的设计，同时保证增益平坦度和输入输出驻波。
射频功放设计步骤(思路)
射频功放设计步骤（思路）本文将对射频功放电路的设计过程进行简要地介绍，以便初涉射频功放开发的同仁参考。
第一步，制定设计方案在进行射频功放设计时，我们首先要根据给定（或需要）的技术指标和功能指标制定设计方案。
制定设计方案的主要依据是指标要求中的增益、额定输出功率、线性度（ACPR/IMD）、载波数、功耗/效率等指标。
1.在GSM及LTE基站系统中，由于对线性度要求不是很高或者额定输出功率不是很大，且在单载波情况下工作，所以我们选择传统的射频功放设计方案——功率回退法（高功放HPA）。
构成HPA放大器一般有两种工作状态：A类及AB类工作状态。
A类放大器具有良好的线性放大性能，其三阶交调产物与输出功率的变化关系是：输出信号功率减小3dB（即减小一半功率），则三阶交调产物改善6dB。
一般来讲，A类放大器在1dB压缩点输出时，三阶交调系数约为－23.7dB (通常取－20dB)。
为了达到一定的线性，并考虑到工程问题，A类放大器需回退15dB，此时放大器的三阶交调抑制可以达到－45～－50dBc。
然而使用A类放大器的最大缺点是效率低及成本较高。
这是因为A类放大器在它的1dB压缩点输出功率时，其效率只有10％。
比如，完成一个30W平均输出功率的HPA，就需要至少有300W的耗电，并且工作电流随输出功率变化的值不大。
若考虑回退12dB，则需要有480W平均功率输出，需耗电4.8kW。
为了达到30W的输出功率需要用较多的功率管。
这样就加大了HPA的成本和体积，增大了研制成本和难度。
为了避免这个问题，建议在小功率放大器(平均功率输出≤5W)设计中使用A类放大器；在中大功率放大器(平均功率输出>5W)设计中使用AB类放大器。
AB类放大器的特点是效率高、成本低。
由于单管的输出功率高，仅需少量的功率管即可做到较高的输出功率，所以成本较低，且散热和结构设计可以简单化。
目前用在AB类的管子主要选LDMOS管，AB类放大器用最大包络功率PEP来描述其功率容量，类似A类的1dB压缩点。
2.3--射频小信号放大器电路设计课件
(c) 2.4GHz LNA应用电路的印制板图
2.3.2 基于MGA72543的1.9GHz 低噪声放大器电路
MGA72543是一个经济的，易使用的GaAs（砷化镓） MMIC（单片式微波集成电路）低噪声放大器（LNA）， 工作频率范围为0.1～6.0GHz，工作电压为2.7～4.2V。 噪声系数在2GHz时为1.4dB，在芯片上的旁路开关损
在外部匹配网络的设计中，满足匹配条件未必能够提 供最佳的噪声系数性能，应综合考虑噪声系数、增益 和截获点之间的平衡。
MBC13720在1.9～2.4GHz时LNA应用电路原理图、印 制板图和元器件装配图如图2.3.2所示。图中T1、T2、 T3为50的微带线。
图2.3.2 2.4GHz LAN应用电路
IP1dB为16dBm；输入3阶截点IIP3为1dBm。
2.3 射频小信号放大器电路设计实例
2.3.1 基于MBC13720的2.4GHz低 噪声放大器（LNA）电路
MBC13720 是一个低噪声放大器（LNA）集成电路芯 片，可满足400MHz～2.4GHz频率范围内射频小信号放 大应用要求，工作电压为2.5～3.0V，输入、输出匹配 满足设计的灵活性要求。
把MGA72543置为旁路模式的最简单的方法是把引脚1 和4的接地端开路，此时MGA72543的内部控制电路自 动从放大器模式转化到旁路状态，且器件电流几乎下 降到0。旁路状态的电流消耗通常是2A，最大为15A。 当设定为旁路模式时，输入和输出都由内部匹配到 50。
射频功率放大器简介介绍
在无线通信系统中，射频功率放 大器将基带信号转换为高频信号 ，并将其放大到足够的功率水平 ，以便通过天线进行传输。
射频功率放大器的分类
01
02
03
按工作频率
可分为低频射频功率放大 器、高频射频功率放大器 、微波射频功率放大器等 。
按用途
可分为通用射频功率放大 器和专用射频功率放大器 。
按功率等级
频率范围与相位噪声
RF2301的工作频率范围为1.7 to 2.6 GHz， 相位噪声性能在偏离中心频率10 kHz时为85 dBc/Hz。
该芯片在无线通信系统中的应用与测试结果
应用场景
01
RF2301适用于多种无线通信系统，如蓝牙、Wi-Fi和
Zigbee等。
测试环境与配置
02 在实验室环境中，使用信号源、频谱分析仪和功率计
制造难点
由于射频功率放大器的工作频率较高 ，因此对芯片的设计和制造工艺要求 较高，同时对封装材料和形式也有特 殊要求。
解决方案
采用先进的芯片制造技术和高品质的 封装材料，优化设计以降低寄生效应 ，提高性能和可靠性。
05
射频功率放大器的发展趋势与 展望
射频功率放大器的发展趋势与展望
• 射频功率放大器是一种用于将低功率信号放大到高功率信号的电子设备，广泛应用于通信、雷达、电子战等领 域。下面将对射频功率放大器的基本概念、发展历程、研究热点、发展趋势和未来研究方向进行详细介绍。
电子战系统需要使用射频功率放大器来放大干扰信号，以干扰 敌方通信和雷达系统。
一些医疗设备需要使用射频功率放大器来放大微弱信号，以便 进行精确的诊断和治疗。
02
射频功率放大器的基本原理
射频功率放大器的电路组成
基于小信号法的功率放大器的设计与仿真
基 于 小 信 号 法 的 功 率 放 大 器 设 计 与 仿 真
杨 玲 王 平 连
（ 中国 科 学 院 光 电研 究 院 北 京 １ ０ ９ ） ０ １ ０
摘
要 ： 频 功 率 放 大 器 是 数 传 发 射 机 中 的关 键 部 件 ， 是 制 约 整 个 系统 性 能 的 关 键 因 素 。依 据 固 态 功 率 放 大 器 的 小 信 号 设 射 它
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｒａ ｉ ｒ ｑ ｅ ｃ ｏ ｅ ｍ ｐ ｉｉ ｒｉ ｈｅｍ ｏ ｔｉ ｏ ｔ ｎ ａ ａ ｔａ ｓ ｓ ｉ ｎ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ，ｗｈ ｃ ｅ ｔ ｉｔ ｈｅｗｈ ｌ ｄ ｏ ｆ ｅ ｕ ｎ ｙ ｐ ｗ ｒａ ｌ ｅ ｔ ｓ ｍｐ ｒ ａ ｔｄ ｔ ｒ ｎ ｍｉ ｓｏ ｏ ｆ ｓ ｏ ｅｔ ｉｈ ｒ ｓ ｒｃ ｓ ｔ ｏ ｅ ｓ ｓ ｅ ｐ ｒ ｏ ｍａ ｃ ． Ｔｈ ｂ ｎ ｏ ｉ — ｔ ｔ ｏ ｒ ａ ｌ ｉ ｒ ｉ ｄ ｓｇ ｅ ｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｓ ｌ ｓｇ ａ ｔ ｏ ｎ ｔ ｉ ｒ ｉｌ ， ｙ ｔ ｍ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｅ Ｌ— ａ ｄ ｓ ｌ ｓ ａ ｅ ｐ ｗｅ ｍｐ ｉ ｅ ｓ ｅ ｉ ｎ ｄ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｍａ ｌ ｉ ｎ ｌｍｅ ｈ ｄ ｉ ｈ ｓ ａ ｔｃ ｅ ｄ ｆ ｗｉｈ ｄ ｔ ｉｅ ｅ ｉ ｎ ｐ ｏ ｅ ｓ ａ ｄ ｓｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｄ ｔ ． Ｆｉｓ ，ｓ ｍｕ ａ ｅ ｔ ｅ ｇ ｉ ｔ ｅ ａ ｌ ｄ ｄ ｓｇ ｒ ｃ ｓ ｎ ｉ ｌ ｔｏ ａ ａ ｒ ｔ ｉ ｌ ｔ ｈ ａ ｎ，ｉ ｔ ｒ ｔ ｇ ｏ ｐ ｉ ｇ，ｉ ｐ ｔａ ｄ ｏ ｔ ｕ ｔ — ｎ ｅ ｓ ａ ｅｃ ｕ ｌ ｎ ｎ ｕ ｎ ｕ ｐ ｔｍａ ｃ
小信号放大电路
小信号放大电路
小信号放大电路又称低噪声放大电路，是一种通过放大前端接收到的微弱信号，使其
能满足负载使用要求，而不损失信号质量的一种电路。
由于小信号放大电路能把低噪声信
号放大，因而得名。
它能被广泛应用于无线通信、交流系统、激光测距、高级声学等领域。
小信号放大电路和普通的放大电路相比，具有以下特点：
1、小信号放大电路的放大增益一般较小，多数情况下在20dB以下。
同时，低噪声特
性要求该电路具有良好的抑制肉噪功能。
这也就要求小信号放大电路的线性度在较小的输
入信号范围内能够达到很好的效果。
2、生产小信号放大电路时，除了具有高精度要求的功率放大器以外，同时还要采用
精密的滤波技术，以期满足各种应用的需求。
一般来说，低频不少于300Hz的脉冲波和具
有良好质量的模拟信号，往往需要使用量电容器来极大地提高这种类型电路的运行性能。
3、为了改善小信号放大电路的性能，在设计电路时，应该把电路的电源电容和过采
样电容采用连续的方式，以在一的滤波器的状态下进行调节，从而提高放大器的噪声衰减
能力。
另外，在此基础上，应该添加偏调波滤波器，以调节整个负责放大电路的分支，来
降低噪声水平。
4、小信号放大电路通常采用一种被称为音频功放的放大结构，它能把收到的微弱信
号转换为较大的信号，并同时抑制多发噪是声音，以达到较好的信号放大效果。
另外，小信号放大电路还有一些应用是特殊的，比如激光测距仪、超声波及单片机技术，等。
这些电路的设计中，除了具有一定的放大系数，同时还要考虑它的速度快、噪声
小等特点，以期达到提高性能能力的目标。
《射频集成电路设计基础》功率放大器
η = -P----L-, PD
PAE
=
-P---L----–-----P----i-nPD
=
η1 – G-1--
(1)
效率和线性度矛盾的另一方面：输出功率越大，效率越高，由非线性所引起的 失真或干扰也越强。
射频集成电路设计基础 > 功率放大器 > 主要指标
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• 线性度
– 非线性失真同时表现在幅度和相位上 – 互调分量 (IM3, IM5 etc.) 或谐波抑制
ro
导不变，并且在工作频率上输出阻抗为恒定的实电阻
ro，为了实现共轭匹配，负载必须经过变换使
RL vo
RL = ro 于是输出电压幅度和功率分别为
Vo
=
g m V in
r---o2
,
PL
=
1-- V----o-2 2RL
=
1-8
(
g m V in
)2
ro
(3)
射频集成电路设计基础 > 功率放大器 >PA 的分类
实际的输出阻抗需要视电源电压和最大偏置电流而定，在电源电压很低的情 况下，需要将负载变换成更小的值，并提供更大的偏置电流。
射频集成电路设计基础 > 功率放大器 >PA 的分类
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• Class B & Class AB ( 乙类与甲乙类 )
无论有无信号，甲类功放都保持导通，因此效 RFC 率不高，乙类功放的偏置电流 IC=0，只有在有 信号时 ( 输入信号正半周 ) 管子才工作，这时 信号电流 ix = –iC , 最大幅度 Ix, max =VCC ⁄ Rx 。 正弦信号激励下输出功率和直流功耗分别为
射频功率放大器的设计
解 从输出端开始往回倒推，可得每一级的功率和增益分别为
A点： PA 29.5 0.5 3 27dBm
G1dB =7dB
A点处的两只并行放大器应选用AMP1。因AMP1的 P1dB=27dBm
B点 PB PB 27 7 20dBm
C点：PC 20 0.5 3 23.5dBm
C点处也应选用AMP1。因AMP2的 P1dB=22dBm 低于C点处要求的
1 1 1
P P G P 1dB,cas
1dB,n
Pn 1dB,n1
1 GPnGPn1 GP2P1dB,1
若各级放大器的特性一致，即
GPk GP k 1, 2, , n G1dB,k G1dB k 1, 2, , n
1 P1dB,cas
1 P1dB
1
1 GP
1 Gp2
1 G n 1Байду номын сангаас
p
1 P1dB
N路多级功率合成器(或功分器)是一种将N路不同放大器的输出 功率进行合成(或分解)的耦合器。
6
16．4 微波功率的合成与分配技术
功率合成／分配器
多级中的N路
谐振腔结构
一级中的N路
Ta非谐振腔结构
二叉型结构
兰格耦 合器
威尔金森 耦合器
非二叉型结构
同轴线
波导
微带线
同轴腔
波导
P 威尔金 o,mNi路n微
PTOIk P k 1, 2, , n
1 1 1 1
1
PTOI
P
1
GP
GP2
G n 1 P
30
1 PTOI
1 P
11/ 11/
GPn GP
n PTOI P 11/ GP
RF功率放大器的设计与优化
RF功率放大器的设计与优化RF功率放大器是无线通信系统中不可或缺的重要组成部分，主要用于对信号进行放大，以满足通信系统对于高功率、低失真、高效率等多种要求。
而其设计与优化则直接关系着整个通信系统的性能和效率。
本文将从介绍功率放大器工作原理、设备特点和设计原则入手，结合实际案例，探讨RF功率放大器设计与优化的过程和技巧，以期为读者提供一定的参考和帮助。
一、功率放大器工作原理及特点功率放大器是一种将信号输入端的小信号放大成输出端的大信号的电子设备，其工作原理为将幅度较小的输入信号进行放大实现增强信号功率。
一般情况下，功率放大器被广泛应用于各种无线通信系统中，如手机、基站、卫星通信等。
功率放大器具有以下几个特点：（1）高输出功率：功率放大器的主要功能是对输入信号进行放大，从而达到提高功率的效果。
因此，功率放大器的输出功率必须要高，这也是它被广泛应用于无线通信系统中的原因之一。
（2）低失真：在功率放大器中，由于信号的放大不可避免地会伴随着失真，因此要求功率放大器的失真尽可能小。
否则，失真信号将会影响整个通信系统的运行质量。
（3）高效率：功率放大器是消耗电能的电子设备，因此高效率的功率放大器不仅可以使整个通信系统的工作更长寿，而且还可以节省用户的能源消耗。
二、功放设计原则在进行功放设计时，需要遵守以下的设计原则：（1）功率放大器的稳定性：功放的稳定性是功放设计的首要原则，任何放大器都不应该存在不稳定的现象，从而保证提供良好的信号放大性能。
（2）低失真：功率放大器的失真对于信号质量来讲有很大的影响，因此尽量减少失真是功放设计的目标之一。
（3）高效率：功率放大器在输入功率不变的情况下，输出功率越大则耗能也就越大，因此设计功放的时候需要在功率输出和能源消耗之间做一个平衡，以提高功放的效率。
三、功放设计流程在进行功放设计时，需要按照一定流程进行操作：（1）确定功率放大器的频带：功放工作的频带范围决定了器件的性能特征，因此功放设计开始之前需要明确出功放的频带范围。
射频功放的设计
射频功放的设计基于ADS的射频功率放⼤器仿真设计1.引⾔各种⽆线通信系统的发展，如GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX和Wi-Fi，⼤⼤加速了半导体器件和射频功放的研究过程。
射频功放在⽆线通信系统中起着⾄关重要的作⽤，它的设计好坏影响着整个系统的性能。
因此，⽆线通信系统需要设计性能优良的放⼤器。
⽽且，为了适应⽆线系统的快速发展，产品开发的周期也是⼀个重要因素。
另外，在各种⽆线系统中由于采⽤了不同调制类型和多载波信号，射频⼯程师为减⼩功放的⾮线性失真，尤其是设计⽆线基站应⽤的⾼功率放⼤器时⾯临着巨⼤的挑战。
采⽤Agilent ADS 软件进⾏电路设计可以掌握设计电路的性能，进⼀步优化设计参数，同时达到加速产品开发进程的⽬的。
功放（PA）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。
2.功率放⼤器基础2.1功率放⼤器的种类根据输⼊与输出信号间的⼤⼩⽐例关系，功放可以分为线性放⼤器与⾮线性放⼤器两种。
输⼊线性放⼤器的有A、B、AB类；属于⾮线性放⼤器的则有C、E 等类型的放⼤器。
（1）A类：其功率器件再输⼊信号的全部周期类均导通，但效率⾮常低，理想状态下效率仅为50%。
（2）B类：导通⾓仅为180°，效率在理想状态下可达到78%。
（3）AB类：导通⾓⼤于180°但远⼩于360°。
效率介于30%~60%之间。
（4）C类：导通⾓⼩于180°，其输出波形为周期性脉冲。
理论上，效率可达100%。
（5）D、E类：其原理是将功率器件当作开关使⽤。
设计功放电路前必须先考虑系统规格要求的重点，再来选择电路构架。
对于射频功放，有的系统需要⾼效率的功放，有些需要⾼功率且线性度佳的功放，有些需要较宽的操作频带等，然⽽这些系统需求往往是相互抵触的。
例如，B、C、E类构架的功率放⼤器皆可达到⽐较⾼的效率，但信号的失真却较为严重；⽽A类放⼤器是所有放⼤器中线性度最⾼的，但它的最⼤缺点是效率低，这些缺点虽然可以⽤各种Harmonic Termination 电路的设计技巧予以改进，但仍⽆法提⾼到与⾼效率的功放相当的⽔平。
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由实验 测试确定， 可根据 Ｍ ｓ Ｅ 管 ＩＶ曲线， 也 ０ＦＴ — 计算最大功
下， 可根据 ＭｓＥ 管的总栅宽， ｏＦＴ 定量计算 出其等效电路元件
近似值 。 ５ 仿真优化放大 器的输出功率特性
率输出时的负载线 Ｒ Ｌ得到， 如图三所示。
在宽频带 内，功率放大器的工作频率是无条件稳定的。
Ｒ — ＲＦ 【 Ｏｕ
但在低频端， 降为有条件稳定。 因为高功率 ＭｓＥ 的跨导非 ｏＦＴ
常高， 从而导致低频潜在的高增益， 因而产 生了低频稳定性
电路 ：
信号器件模型 的情况下， 用小信号模 型设 计功率放 大器 的 运
方法 。 １ 基本设计思路
⑦为实现射频输 出功率最大化， 优化输 出匹配 电路达最
佳值 Ｒ： Ｌ
④ 根据实际情况， 优化电路， 确保宽带的稳定。
２ 输 出匹配 电路
基本设计思路如 图
Ｉｖ ＿ 特性呈现非线性 。 而大部分器件 厂商通常只提供功率器 件 的小信号 ｓ 参数和静态 Ｉｖ ＿ 曲线， 参数和静 态 Ｉｖ ｓ ＿ 曲线
只适合小信号状态下 的分析与设计 。 文提 出一种在 没有 大 本
⑤ 定器件静态 Ｉ 曲线负载线； 确 ⑥提取封 装寄生元件， 将此寄生元件计算输入输 出匹配
参 算 以 功 函偏 ） 篙 男西 大电 院 工 ’ 量 Ｒ 输 率 数置 为 ’ 财 学 学 信 系 计 Ｌ 出 为 ，条 储 ， 经 子 通 程 江
，
暑
，
得到：
“
旧
。
号模型设计功率放大器 的方法 。 关键词 ：射频功 率放大器 ； 小信号法； 功率匹配； 放大器优 化 中图分类号 ：Ｔ ８ ２ ＰＯ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ６ １ ４ ９ 一２ ０）０ ０ ２ — ２ １ ７ — ７２ （０ ８１ — ２ ９ ０
Ａｂ ｔａ ｔＤ ｅ ｔ ｈ ａ ｋ ｆ ｉ ｈ ｐ ｗ ｒ ｅ ｉ ｅ ｏ ｅ ， ｈ ｄ ｓ ｇ ｆ Ｆ ｐ ｗ ｒ ａ ｐ ｉ ｉ ｒ ｓ ｅ ｙ ｄ ｆ ｉ ｕ ｔ ｓｒｃ ： ｕ ｏ ｔ ｅ １ ｃ ｏ ｈ ｇ — ｏ ｅ ｄ ｖ ｃ ｍ ｄ １ ｔ ｅ ｅ ｉ ｎ ｏ Ｒ ０ ｅ ｍ ｌ ｆ ｅ ｉ Ｖ ｒ ｉ ｆ ｃ ｌ
配 电路。 在优化前， 必须得到尽可能完整的输出电路模型， 再 在工作频 率对其优化， 达到与 Ｒ 乙的最佳匹配 。 功率管封装的 寄生元件必须包括在该模型 中， 这些元件完全或在很大程度
上确定了串联 匹配电感 。 参考文献
［ 龚剑 ， 荫， １ ］ 张祖 郭伟 ． 功率放大器模块 的设 计与 射频
大功率输 出时的线性， 功率管～般应选用线性最好的 Ａ 类工 作状态 ， 根据偏置 电压和输出功率即可计算 出相应的负载电
阻 。在如 图四所示的 Ｉｖ曲线中， ＿ 仅由要 求的输 出功率和预 计的漏源 电压就能直接求得 Ｒ Ｉ 。
值， 然后再优化输入 匹配电路 的元 件值， 改善 增益和输入 匹
４ 封装寄生元件的提取
①输入 匹配电路设计是典型的小信号设计过程 ： 通过对 器件 的小信号 ｓ 参数仿真进行增益优化和确定输入 匹配 电 路结构及元件参数， 输入 匹配电路确保对最大增益 匹配； ②输出匹配电路的设计则是使用小信号模型设计大信
为了优化 Ｍ ｓ Ｅ ＯＦ Ｔ管的输出电路，在设计输出匹配 电路
②根据频率、 带宽确定匹配网络的结构；
④根据工作类型和 电源要求选择偏置 电路 。 若电路要求
一
一
在 较高频率， 一般采用分布参数元件 匹配 电路 。 分布 在 参数 电路 中， 用细长的微带线代替 电感， 用短 而宽 的微带线 代替并联电容 ， 偏置扼流圈用 １４波长微带线构成 。同时分 ／ 布参数 匹配电路 的元件尺寸与频率成 比例， 这表 明电路的工 作频率越高， 电路 的尺寸越小 。
问题， 必须通过添加稳定网络加 以纠正。
图三
Ｒ Ｌ的确定
负载线电阻 Ｒ Ｌ用功率管输出负载来表示 。为 了保 证在
在以小信号 ｓ 参数 （ 及静态 Ｉｖ 性曲线） －特 作为模型来 设 计功 率放 大器 时， 们必须以 Ｒ （ 我 Ｌ相对 Ｒ 最大 输出功率 Ｆ
的负载线 电阻） 匹配为 目标， 优化和确定输 出匹配电路元件
时， 必须考虑封 装元件的影响， 管子 的漏极 、 将 源极所有寄生 元件计入 总输 出匹配电路， 从而实现准确 的功率匹配。 封装寄生元件可简单地模拟成 串联在 栅 、漏 、源端 的
Ｒ Ｌ电路 ， ｑ 采用 Ａ ｓ仿真该模型 的电原理 图， Ｄ 可分 析 出相应
号 电路的过程： 通过器件的 ｓ 参数模型和 ＩＶ — 曲线来确定负 载线 Ｒ，输出匹配电路的阻抗 匹配保证 了输 出功率的最大 Ｌ
化。
３ 输出电阻 ＲＬ的确定
的等效屯路：用一组接近管子等效 电路元件真实值为初值， 所有 电路元件都指定为优化变量， 通过 Ａｓ Ｄ 优化器调整模型
的ｓ 参数依次变化， ｓ参数无 限接近器件的小信号 ｓ 当 参数 时， 则与等效 电路一致 。对于无封装芯片， Ａ类工作条件 在
输出匹配网络要为负载提供最大功率输出， 则网络的输
（ 江西财经大学， 西 南昌 ３ ｏ １） 江 ３Ｏ ３
（ｉｎ ｘ ｎ ｖｒ ｉ ｙ ｏ ｉａ ｃ ｎ ｃｎ ｍ ｃ ，Ｊ ａｇ ｉＮ ｎ ｈ ｎ ３ Ｏ ３ Ｊ ａ ｇ ｉｕ ｉｅ ｓ ｔ ｆ Ｆ ｎ ｎ ｅａ ｄ Ｅ ｏ ｏ ｉ ｓ ｉ ｎ ｘ ａｃ ａ ｇ ３ Ｏ １ ）
摘
要 ：由于缺少大功率器件模型 ， 射频功率放大器的设 计是工程上的一个难点。本文提 出了一种利用功率器件 的小信
ｉ ｒ Ｊ ｃ ， ｎ ｔ ｉ ｅ ｔ ａ ｅ ｉ ｎ ｍ ｔ ｏ ｆ Ｐ ｗ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ｂ ｈ ｏ ｅ ｏ ｍ ｌ — ｉ ｎ １ ｎ ｐ ｏ ｅ ｔ ｉ ｈ ｓ ｔ ｘ ， ｄ ｓ ｇ ｅ ｈ ｄ ｏ Ａ ａ ｒｐｓｄ ｙ ｔｅ ｍ ｄ １ ｆ ｓ ａ ｌ ｓ ｇａ ． Ｋｅ ｗＯ ｄ ｙ ｒ Ｓ：Ｒ ｏ ｅ ｒ ｌ ｆ ｅ ｓ Ｆ Ｐ ｗ ｒ Ａｎ ｉ ｉ ｒ ；Ｓ ａ ｌ Ｓ ｇ ａ ｅ ｈ ｄ；Ｐ ｗ ｒ Ｍ ｔ ｈ ｎ ； Ａ ｐ ｉ ｉ ｒ ０ ｔ ｍ ｚ ｄ ｐ ｍ ｌ ｉｎ １Ｍ ｔ ｏ ０ ｅ ａ ｃ ｉ ｇ ｍ ｌ ｆ ｅ ｐ ｉ ｉ ｅ
实现 ［］ 计算机与数字工程 ，。 ６ （２ ． Ｊ． ２ 。 ， １）
［ 郝国欣 ， ２ ］ 金燕波 ， 郭华 民． 大功率宽带射频 脉冲功率 放大器设计 ［ 。 Ｊ 电子技术应用，０６ （ ． ］ ２ｏ ，３ ） ［ 南敬昌 ， ３ ］ 刘元安 ， 高泽华 ． 基于 Ａ ｓ Ｄ 软件 的射 频功率 放大器仿真实现 ［ ． Ｊ 电子技术应用，Ｏ７ （） ］ ２Ｏ ， ． ９ 图四 Ｒ 的计算 Ｌ
０ 弓 言 ｌ
线性高 ， 推荐使用 Ａ类工作状态 ， Ａ类工作时， 流漏极电 在 直 流应 为器件 Ｉａ ｍ ｘ的 １２； ／ ④根据增益和输入 匹配要求优化输入 电路：
射频功率放大器 的设计是工程上 的难题 。射频 ＭｓＥ ＥＦＴ
功率管工作在大信号状态下， 接近功率饱和区附近， 此时的
图二
输出匹配电路原理框 图
为了得到高增益和最大输出功率， 匹配电路将输入信源
和负载阻抗变换到合适的阻抗， 匹配 ＭｓＥ 管 的源极 和漏 ＯＦＴ
图一 基本设计思路 设计步骤如下：
极 。同时， 匹配电路含有电抗元件， 频率具有选择性， 对 这决 定了放大器的 中心频率和带 宽。 在较低频率， 一般采用集总元件构成 匹配 电路 。利用小
射
频
功
率 放 大 器 的 小 信 号
设 计 法
Ｄ ｓ ｇ ｆ Ｒ ０ ｅ ｍ １ ｆ ｅ ｓ ｂ ｍ ｌ— ｉ ｎ ｌ ｅ ｉ ｎ ０ Ｆ Ｐ ｗ ｒ Ａ ｐ ｉ ｒ ｙ Ｓ ａ ｓ ｇ ａ ｉ ｌ
周忠保
Ｚｈ ｏｕ ＺｈＯ ｇｂ ｎ ａＯ
①依 据各 级放 大器级连 的要求选择对 应的各级器件 ， 确 保各级放大器 同步平滑地进入 饱和区，没有 任意一级先饱
和；
尺寸的集总电容和线绕电感构成低通结构或高通结构的匹
配 电路， 也可是两者的混合使用 。 要在所需带宽 内达 到 良 若 好 匹配， 有时要设 计多级 电路 匹配结 构， 常应使 用尽量少 通 的级数， 以减少两 电路的复杂性 和成本。
匹配电路的设计原则如下：
Ｒ ＝ Ｑ （ｂ Ｖ ） ２ ｏ ｔ Ｌ ｓ Ｒ Ｖ — ｓ ／ Ｐ ｕ
在设计 Ｒ 时还需注意 以下几点 ： Ｌ ①负载牵引实验表明， 了考 虑纯负载线 电阻外 ， 除 还必 须考虑匹配一个小 电抗，即与 Ｒ Ｌ并联 的电容 ｃ ｓ ｃ ｓ的值 ｄ，ｄ 约每毫米栅宽 ｏ １Ｆ ．Ｐ ； ②在器件可靠的前提下，击穿电压是确定 Ｍ ｓ田 器件 ０Ｆ 偏置 电压和最大输出功率的关键参数 。