功放基本原理

前馈功放
• 主环的自适应控制是这样实现的：主环输出的 误差信号经过取样、检测后送给MCU，MCU根 据载波抵消结果闭环控制主信号放大通道中的 移相器和衰减器，稳定保持载波抵消良好的效 果。
前馈功放
• 在误差环中，主功放输出信号由耦合器一分为 二，耦合输出信号参加载波抵消获得误差信号 后，经过移相器、衰减器、功率放大，再由互 调注入耦合器送回主功放输出通道中，参加互 调抵消；主功放输出的直通信号通过延时滤波 器延时后，也进入互调注入耦合器，由误差功 放输出信号抵消掉其中的非线性失真产物，实 现系统的线性改善目标。
功率回退功放
• 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。
功率回退功放
• 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。
功率回退功放
• 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%。
保护功能的控制电路
• 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。
消除非线性指标的控制电路
• 在前馈功放和自适应预失真功放的设计中，为 消除由于功率放大器的增益、相移以及非线性 失真特性随环境温度、工作频率、输出功率和 器件老化变化造成前馈或预失真线性化改善不 能稳定保持的缺点，通过闭环监测功率放大器 线性化改善效果，自动调整前馈信号抵消环路 的增益和相移、预失真器的失真特性，实现线 性功率放大器在工作频带内、全动态范围、工 作环境条件下满足系统线性指标要求的长期、 稳定、可靠运行的技术。
• 三阶交截点是量化放大管交调失真特性的唯一 参数。
A
与 其 三 阶 交 截
类 放 大 器 的
点
1dB
IP3
P1dB
压 的缩 关点 系 曲 线
功率回退功放
• 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。
前馈功放
• 前馈技术是采用两个信号抵消环路，提取并反 相抵消消除功率放大器输出信号中的非线性产 物，实现功率放大器线性化改善目标的一种信 号处理方案。前馈放大器原理框图如下。
前馈功放
• 在主环中，系统输入射频信号RFin由功分器一 分为二，一路信号经过移相器、衰减器、功率 放大后，由主功放输出耦合器取样送到载波抵 消耦合器参加载波抵消；另一路输入分路信号 经过小信号延时线进行延时匹配后，也进入载 波抵消耦合器，抵消消除主功放输出取样信号 中的载波信号，获得代表主功放非线性失真产 物的误差信号，输出给误差放大通道。
射频中的常用单位
• dB • dB用于表征功率的相对比值，计算甲功率 相对乙功率大或小多少dB时，按下面计算公式： • 10lg(甲功率/乙功率） • [例]若甲功放的增益为20dB,乙功放的增益 为14dB,则可以说甲功放的增益比乙功放的增益 大6dB。
射频中的常用单位
• dBc
• dBc也是一个表征相对功率的单位，其计 算方法与dB的计算方法完全一样。
前馈功放
• 前馈技术交调改善公式：
• IM

G
10log110 10

来自百度文库G
210 20
cos
• 式中：IM =交调改善值，单位为dB
• G =抵消输入幅度误差，单位为dB
• =相位误差，单位为度 • 当G ≤0.25dB、≤2º时，改善效果理论上可以达到
30dB。
前馈功放
• 1dB压缩点用来衡量放大器的功率容量。
功率回退功放
A类放大器的1dB压缩点P1dB曲线
功率回退功放
•三阶交调系数IMD3定义： 如下图所示，输入 信号Pin(f1)和Pin(f2)通过放大器除了产生输出 信号Pout(f1)和Pout(f2)之外，还产生了新的频 率Pout(2f1-f2)和Pout(2f2-f1)，输出端口有用 功率和无用功率之差被定义为交调失真。
• 另外前馈方案对每对对消通道在工作频带内的 增益平坦度和相位平坦度的要求是比较严的， 而增益和相位容易受到温度、电压、功率等因 素的影响，实际的改善效果与理论值会有一定 的差距。
预失真功放
• 预失真技术是依靠在功率放大器输入通道中插 入预失真部件，造成输入信号的预先歧变失真， 由于预失真器的失真特性与功率放大器的非线 性失真特性正交相反，从而消除功率放大器输 出信号中的非线性失真产物，实现功率放大器 线性化改善目标的信号处理方案，其框图如下 图所示。
功率回退功放
• 功率回退功放又称为高功放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。
功放基本原理
射频中的常用单位
•在射频领域里，我们经常会遇到dBm、 dB、dBc等与功率有关的单位，许多工程 师在对这些单位的理解上存在着混淆和误 解，造成计算失误。下面集中辩析这几项 单位，供大家参考。
射频中的常用单位
• dBm • dBm用于表达功率的绝对值，计算公式为： • 10lg(P功率值/lmw) • [例]如果发射功率P为10w，则按dBm单位 进行折算后的值应为： 10lg(10w/1mw)=10lg(10000)=40dBm
功放的控制电路
• 射频功放中的控制电路一般有两种类型：一种 是常用的保护功能的控制电路；一种是消除非 线性指标的控制电路。
保护功能的控制电路
• 功放中功率管的价钱都是很贵的，为了在异常 情况下功放不被损坏，我们要采取以下措施对 功放进行保护： •1) 功率告警保护 •2) 过温告警保护 •3) 驻波告警保护 •4) 器件失效告警保护 •5) 过激励保护 •6) 过流保护
前馈功放
Pin
主放大器
C1
G/ 调节
C2
延迟D1（移相）
Pout
C4
主环：载波对消
误差环：交调对消
延迟D2 （移相）
C3 G/ 调节 误差放大器
前馈功放
• 由耦合器C1、C2、C3、移相电路D2及主放大 器组成主环，其作用是为了消除放大器的载频 信号功率，提取误差信号；由耦合器C2、C3、 C4，移相电路D1及误差放大器组成的误差环是 为了消除主放大器非线性产生的交调分量，改 善功放的线性度。
• 微波：通常将频率高于300MHz的分米波、厘 米波、毫米波波段统称为微波。
• 射频功放：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。
射频功放的分类
• 放大器按照电流通角的不同，可分为A类（甲 类）、AB类（甲乙类）、B类（乙类）、C类 （丙类）。一般的射频放大器工作在A类、AB 类、B类、C类状态；我们公司目前所做的射频 放大器基本上都工作在A类、B类、AB类状态。
IMD3(dBc) Pout( f 2)(dBm) Pout(2 f 2 f 1)(dBm)
功率回退功放
Pin
Pout
f1 f2
IMD3
f1 f2
f 2f1-f2 2f2-f1 f
•
放大器交调失真频谱示意图
功率回退功放
• 三阶交截点IP3定义：在线性放大区，输出功率 P01随着输入功率按比例增加，而3阶产物P03 却与输入功率的幂次成正比。延伸P01和P03的 线性区可得一个交叉点，该点我们就称谓三阶 交截点。
前馈功放
• 误差环的自适应控制实现方法为：MCU根据载 波信号频道占用情况，计算设置互调检测接收 机的本振频率，使中频滤波窗口对准主功放输 出信号中的3阶或5阶（多载波频率间隔 >1.25MHz时对准3阶，否则对准5阶）互调频 率，由接收机输出的功率检测电路监测系统输 出信号中抵消剩余的互调失真信号功率值，并 反馈给MCU，MCU闭环调整误差放大通道中的 移相器和衰减器，使系统输出信号中的互调功 率最小，稳定保持系统线性改善的最佳效果。
• 一般来说，dBc是相对于载波功率而言的， 在许多情况下用来度量与载波功率的相对值， 如度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰 和带外干扰）、耦合、杂散等相对量值，在采 用dBc的地方，原则上可以使用dB替代。
术语
• 射频：广义来说就是适用于无线电传播的无线 电频率。其下限约为几十~~几百KHz，上限约 为几千~~几万MHz。
射频功放的分类
• 射频放大器按照线性改善方法（或按线路组成 的方式），可分为功率回退功放、前馈功放、 预失真功放。 • 按放大载波的数量又分为单载波功放与多载波 功放。
功放指标
• 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。
预失真功放
非线性发生器 NG
•
预失真技术原理框图
Pin
功率放大器 PA Pout
预失真功放
1
2
3
•
预失真技术原理示意图
预失真功放
• 预失真技术根据预失真器的实现方法可以分为 模拟预失真和数字预失真，利用模拟器件的非 线性行为直接实现功率放大器输入信号预失真 的方法称为模拟预失真，通过数字算法对基带 信号进行处理实现预失真的方法称为数字预失 真。
预失真功放
• 模拟预失真技术在功放中采用较多；数字预失 真是近几年迅速发展起来的一项射频功率放大 器线性化技术，目前研究的版本很多，总的思 路是利用特定的预失真算法，通过数字信号处 理，对输入的信号实现包络调制，而这种包络 调制的特性是与功率放大器的非线性特性相反 的，所以可以有效抑制功率放大器的非线性特 性，从而达到改善功放线性指标的目的，但大 都没有商用化。
• 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。
功率回退功放 • 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的关系见下式
IMD3(dBc) 2[IP3(dBm) Pout(dBm)]
功率回退功放
• 1dB压缩点P1dB定义：当输入功率较低时，输 出功率与输入功率成比例关系。当输入功率超 过一定的量值之后，晶体管的增益开始下降， 最终结果是输出功率达到饱和。当放大器的增 益偏离常数或比其小信号(或此前)增益降低1dB 时，此点就被称为1dB压缩点。