第3章 射频功率放大器

这些频率成分可以分类为：二次谐波2f1、2f2(u2项引 起)；三次谐波3f1、3f2(u3项引起)；二阶互调 f1±f2(u2项引起)；三阶互调2f1±f2、f1±2f2(u3项引 起)。放大电路输出信号包含有多种频率成分，这些频 率中距离输入信号频率f1和f2最近的频率是三阶互调的 产物2f1-f2和2f2-f1。其他频率距离基频f1和f2较远， 很容易使用滤波器滤除，但三阶互调的产物2f1-f2和 2f2-f1会落在放大电路的有效带宽内，不能使用滤波器
Pout和电源供给的直流功率Pdc的比值，用ηC表示，见 (3.1.1)。 式（3.1.1）中，Pc为管耗。效率ηc越高，意味着在相 同输出功率情况下，要求直流电源供给的功率越小， 相应管子内部消耗的功率也越小。
2 功率附加效率(Power Added Efficiency,PAE) 功率附加效率定义为输出功率Pout与输入功率Pin的差
ຫໍສະໝຸດ Baidu
3.1.1 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 可小至毫瓦级，大至数千瓦级。为了实现大功率输出， 末级功率放大器的前级放大器电路必须要有足够高的 激励功率电平。在大功率发射系统中，往往由二级到 三级甚至由四级以上的功率放大器组成射频功率放大 器，各级的工作状态也往往不同。
根据对工作频率、输出功率、用途等的不同要求，可 以采用晶体管、FET、射频功率集成电路或电子管作为 射频功率放大器。在射频大功率方面，目前无论是在 输出功率或在最高工作频率方面，电子管仍然占优势。 千瓦级以上的发射机，大多数还是采用电子管。当然， 晶体管、FET也在射频大功率方面不断取得新的突破。 例如，目前单管的功率输出已超过100W，若采用功率 合成技术，输出功率可以达到3000W。
滤除。三阶互调是造成射频功率放大电路产生失真的
3.4 功率合成与分配 3.4.1 功率合成器 3.4.2 功率分配器 3.5 功率放大器的线性化技术 3.5.1 前馈线性化技术 3.5.2 反馈技术 3.5.3 包络消除及恢复技术 3.5.4 预失真线性化技术 3.5.5 采用非线性元件的线性放大
3.6 射频功率放大器电路实例 3.6.1 1.0GHz、60W宽带射频功率放大器电路 3.6.2 2.4GHz 频带的WLAN功率放大器电路 3.6.3 蓝牙功率放大器电路 3.6.4 50Hz～2.7GHz射频功率测量电路 思考题与习题
3.1.2 效率
功率放大器由于输出功率大，因而要求直流电源提供 的功率也较大，这就存在一个效率问题。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ηC 和功率增加效率PAE两种方法。
1 集电极效率ηc 所谓集电极效率，是指功率管集电极输出的有用功率
与电源供给功率Pdc之比，见 (3.1.2) 功率附加效率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Pout>>Pin时，有ηC≈ηPAE。
如何提高输出功率和效率，是射频功率放大器设计目 标的核心。
3.1.3 线性
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 比用来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。
在有两个或多个单频信号输入的情况下，非线性放大 电路会产生(输出)除这些单频外的新频率信号。这些新 出现的单频信号是非线性系统互调的产物。例如，假 定的输叠入加信，号则是两个频率为f1和f2、幅度相同的单频信号 ui(t)=cos(2πf1t)+cos(2πf2t) (3.1.3)
则输出电压见(3.1.5)。将上式展开后，可以发现输出 电压uO(t)包含有DC、f1、f2、2f1、2f2、f1±f2频率 成分。如果在放大电路的非线性幅度响应中取到三次 方项，除二次方展开输出电压uO(t)得到的频率成分外， 还得到包含有3f1、3f2、2f1±f2、f1±2f2的频率成分。
由于非线性放大器的效率高于线性放大器的效率，射 频功率放大器通常采用非线性放大器。功率放大电路 工作在大信号状态，晶体管工作在非线性区域，会出 现较多的非线性失真。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)。在功率放大 电路中的失真主要是互调失真，互调失真是衡量功率 放大器电路性能的一个重要参数。
3.2.4 C类射频功率放大器电路 3.2.5 D类射频功率放大器电路 3.2.6 E类射频功率放大器电路 3.2.7 F类射频功率放大器电路 3.3 功率放大器电路的阻抗匹配网络 3.3.1 阻抗匹配网络的基本要求 3.3.2 集总参数的匹配网络 3.3.3 传输线变压器匹配网络
第3章 射频功率放大器电路
3.1 射频功率放大器的主要技术指标 3.1.1 输出功率 3.1.2 效率 3.1.3 线性 3.1.4 杂散输出与噪声 3.2 射频功率放大器电路结构 3.2.1 射频功率放大器的分类 3.2.2 A类射频功率放大器电路 3.2.3 B类射频功率放大器电路
3.1 射频功率放大器的主要技术指标
射频功率放大器是各种无线发射机的主要组成部分。 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，需要经过一系列的放大如缓冲级、中 间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率后， 才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频 输出功率，必须采用射频功率放大器。射频功率放大 器电路在设计时需要对输出功率、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。而对功率晶体管的要求， 主要是考虑击穿电压、最大集电极电流和最大管耗等 参数。为了实现有效的能量传输，天线和放大器之间 需要采用阻抗匹配网络。