射频功放设计指南

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，其三阶交调系数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），则三阶交调抑制改善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。这是因为实际应用中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1W)设计中使用A类放大器；在中大功率放大器(平均功率输出>1W)设计中使用AB类放大器。
6.2.4
6.2.5
6.2.6
第七章
7.1
7.2
7.2.1
7.2.2
第八章
8.1
8.1.1
8.1.2
8.1.3
8.1.4
8.2
8.2.1
8.2.2
8.3
第九章
9.1
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.3
9.4
第一章
射频功放设计一般分为五个步骤进行，分别为：制定设计方案、选择与确定具体线路形式及关键器件、进行专题实验或一板的实验、结构设计及PCB详细设计、进行可生产性与可测试性设计和分析。
一.5
在进行结构设计及PCB详细设计的同时，就要考虑可生产性、可测试性的设计。此时可让生产线工艺人员先期介入，对我们的设计进行可生产性、可测试性的指导，使得在设计初期就把可生产性、可测试性的问题解决好，这样在二板设计中就避免了大的改动，尽量避免三板设计的发生，节省人力、财力和时间，缩短研发周期，及时量产，抢占市场。
一.3
具体线路形式及关键器件确定之后，在仿真的基础上，进行PCB设计，同时需要结构实验件的要进行配套结构件的设计，通过实验来验证设计方案的可行性，进而转入下一步的详细设计阶段。
一.4
在各单元板专题实验的基础上，进行各单元板的详细设计，包括各输入/输出接口的具体位置、安装位置等，同时结构设计根据总体结构尺寸及各单元板的尺寸进行结构件的详细设计，设计时要根据总体积、总功耗及给定的风流量进行热设计仿真与分析，进行电磁屏蔽的分析设计，使得结构设计在散热及电磁屏蔽方面达到要求。
另外功率放大器的功率放大管是一种相对比较脆弱的器件，尤其是跟低功率小信号放大管比较。其脆弱性主要体现在如下几方面：
静电敏感性高。
热敏感性比较高。
对射频过载比较敏感，既对射频输入功率过载比较敏感，对输出失配比较敏感。
一.2.1
一.2.1.1
射频放大链路的形式主要依据整机分配给链路的增益、额定输出功率、增益平坦度、线性度（ACPR/IMD）、功耗/效率等指标来确定。其原理框图形式如图1.5所示：
射频放大链路一般由输入分路、输入取样、压控衰减、多级放大、输出环行器保护、前向取样、反向取样、输出采样等基本电路组成。
其中放大级数取决于链路增益及所选放大器件的增益；前向取样、反向取样、输出采样电路通常采用微带线形式的定向耦合器来完成。
第二章
射频功率放大器就是将发射机里的振荡器所产生的射频小功率，经过一系列的放大——激励级、中间级、末前级、末级功率放大级，获得足够大的射频功率的装置。射频功放是发送设备的重要组成部分。
功率放大器是一种比较昂贵的资源，具体体现在功率放大管比较昂贵。在整个无线发射链路成本构成来看，功率放大器的成本比例大于50%（绝大多数），而且功率越大，其所占成本比例就越大。
下面将前馈及预失真技术的优缺点做一简单比较，如表1.1所示(这两种技术的详细介绍请参考后面的专题)。
表1.1前馈及预失真技术比较
线路技术
矫正能力
带宽
优点
缺点
相对成本
前馈
20~30dB
>25MHz
改善线性最好，带宽最宽
线路结构复杂，改善量受制于控制电路对两个环路的增益及相位的处理能力，受制于G、
高
预失真
式中IMD3为级联放大器的三阶交调系数，d1、d2、dn为各放大级的三阶交调系数。
由（3）式可知两级放大器的IMD3如（4）所示：
IMD3= 10log(10d1/10+10d2/10) =d2+10log[1+10(d1- d2)/10]（4）
假设两级放大器的三阶交调系数之差的绝对值为A，即A= d1-d2，则驱动级的IMD3对末级的IMD3的影响值B(末级交调恶化值)可用下面的（5）式来表示：
过功率告警保护；
过温告警保护；
驻波告警保护；
器件失效告警保护；
过激励保护；
过流保护；
该部分电路只需要用单片机和运放器将功放的输入取样、前向取样、反向取样、输出采样、温度取样、电流取样等各种采样信号进行A/D、D/A转换，并将采样信号放大，进而用来控制功放的工作状态，以达到保护功放的目的。
一.2.2.2
一.1.2.2
预失真技术是利用非线性发生器产生一个失真信号，耦合到功率放大器的输入端，抵消功率放大器的非线性失真，其框图如图1.4所示。预失真技术在国外线性功放中普遍采用，国内在一些无线系统的中频中也采用预失真技术，因此该技术是可行的。
图1.4预失真技术原理框图
一.2
设计方案确定后，就可以根据设计方案选择具体线路形式及关键器件，包括射频放大链路形式选择与控制电路形式选择。
20
0.043
由图1.6和表1.2可以看出，驱动级优于末级的IMD3越大，则级联放大器的交调系数恶化值越小。上述图表对我们选择级联放大器的驱动级管子具有很大的参考价值。
一.2.1.4
常用功率管的厂家中，中小功率管厂家有AD、MINI、WJ、Stanford等公司；中大功率管厂家有Motorola、XEMOD、PHLIPS、ERISSON、FUJITSU等公司。
B=10log[1+10-A/10]（5）
（5）式可转化为图1.6的曲线来表示
图1.6级联放大器中驱动级交调系数对末级交调系数的影响曲线
同样由(5)式可得到不同A值时恶化值B，表1.2所示
表1.2 A、B对应值
A驱动级优于末级的IMD3(dB)
B末级交调恶化值(dB)
0
3
5
1.2
10
0.4
15
0.135
目录
第一章
1.1
1.1.1
1.1.2
1.2
1.2.1
1.2.2
1.3
1.4
1.5
第二章
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
第三章
3.1
3.2
3.3
第四章
4.1
4.1.1
4.1.2
4.2
4.3
4.4
第五章
5.1
5.1.1
5.1.2
5.2
5.3
5.3.1
第六章
6.1
6.2
6.2.1
6.2.2
6.2.3
总之功率回退法的优点是简单、易实现，缺点是受功率管P1dB限制。
A类放大器的三阶交调系数IMD3、三阶交截点IP3及输出功率Pout的关系见(1)式
IMD3(dBc)=2IP3 (dBm)-Pout(dBm)(1)
A类放大器的1dB压缩点P1dB与其三阶交截点IP3的关系曲线图见图1.1、图1.2。
一.2.1.3
大多数射频功放是由两极或多级放大器组成，级联放大器的IMD3主要取决于末级放大器的IMD3，因为在设计驱动级时一般将其交调失真设计得很低。各放大级的IMD3对整个级联放大器的IMD3的影响可用（3）式来表示。
IMD3= 10log(10d1/10+10d2/10+…10dn/10)（3）
下面列出几种功率管的比较，如表1.3所示。由于LDMOS管子的高增益、高效率和良好的线性特性，以及其较好的性价比，目前在中大功率的射频放大器中LDMOS管被广泛地应用。
表1.3几种常用功率管比较表
功率管类型
G/1GHz(dB)
IMD/AB(dBc)
P1dB(W)
价格$/W
双极型
8
-ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
150
0.50
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。偏置在AB类的LDMOS放大器，在PEP处的互调抑制为28dBc，回退3dB时互调抑制接近40dBc，继续回退，改善不大。回退10dB时效率约为15%。
图1.1 A类放大器的1dB压缩点P1dB曲线
图1.2 A类放大器的1dB压缩点P1dB与其三阶交截点IP3的关系曲线
AB类放大器不适用于上述两个曲线，具体可参考所选定的功率管厂家给出的IMD或ACPR曲线。
一.1.2
在CDMA及WCDMA基站系统中，由于CDMA技术是随机包络的宽带信道，交调失真的影响产生频谱再生效应，所以对线性度要求很高，加之额定输出功率较大，且在多载波情况下工作，因此我们选择前馈法或自适应预失真的设计方案进行射频功放的设计，至于选用哪一种方案，设计人员应根据实际情况来确定。
一.1
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额定输出功率、线性度（ACPR/IMD）、载波数、功耗/效率等指标。