射频功率放大器
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图1 偏置电路
上图中， R1与R2一起构成分压回路，R3为限流电阻，旁路电容C2、C3与四分之一波长传输线L1、L2起阻止基波流向直流源并抑制偶次谐波的作用。电容C4、C5起隔直通交作用，而旁路电容C1负责滤除直流源的杂散信号。
5. 阻抗匹配/转换电路设计
阻抗匹配/转换电路设计取决与放大器要求的增益、输出功率、效率、线性度和交调失真比等指标。
2.在功率放大器实验电路板上测量PA的主要技术指标：
a.功率增益（Gain）
b.频率范围（Frequency Range）
c.回波损耗（Return Loss）
d.驻波比（Stand Wave Ratio）
e.1dB压缩点（1dB Power）
f.三阶交调点（ and ）
【实验步骤】
1.在做实验之前，观察实验板的电路结构，认清各部分电路元件的作用，体会PA的工作原理。
偏置电路和匹配电路设计好以后，整个功率放大器本身的设计已完成。为了保险起见，还需设计一个直流保护电路，以保证当输入的直流电压和电流过大时，功率放大器电路不会受到损坏。
六、实验使用的PA电路图
图2 PA实验电路的原理图
图3 PA版图
图4 PA实验电路平台
【实验内容】
1.参考实验原理图，理解功率放大器设计的基本方法。
将功率放大器的直流输入端连接到直流源的端口1，按下直流源的输出键，观测此时直流源的电压输出值Vcc和电流输出值Icc并做记录
使用万用表，分别测前后两级EPHEMT的 和 ，并做相应记录，以此可以确定两级EPHEMT的直流工作点Q1和Q2。
2）PA的主要性能指标测试
将PA的射频输入端连接到矢量网络分析仪的端口1，射频输出端接到矢网的端口2。按下矢网的Power ON键，采用频率扫描，测量并保存PA的S参数，用Marker键找出增益即 的最大值，其对应的频点为中心频率，并找出增益下降1dB的频率范围（1dB带宽）。
二、功率放大器的技术要求
功率放大器用于通信发射机的最前端，常与天线或双工器相接。它的技术要求为：
1. 效率越高越好
2. 线性度越高越好
3. 足够高的增益
4. 足够高的输出功率
5. 足够大的动态范围
6. 良好的匹配（与前接天线或开关器）
三、功率放大器的主要性能指标
1.工作频率
2.输出功率
3.效率
4.杂散输出与噪声
【实验原理】
一、功率放大器简介
功率放大器总体可分成A、B、C、D、E、F六类。而这六个小类又可以归入不同的大类，这种大类的分类原则，大致有两种：一种是按照晶体管的导通情况分，另一种按晶体管的等效电路分。按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角大小，功率放大器可分A、B、C三类。在信号的一周期内管子均导通，导通角 （在信号周期一周内，导通角度的一半定义为导通角 ），称为A类。一周期内只有一半导通的成为B类，即 。导通时间小于一半周期的称为C类，此时 。如果按照晶体管的等效电路分，则A、B、C属于一大类，它们的特点是：输入均为正弦波，晶体管都等效为一个受控电流源。而D、E、F属于另一类功放，它们的导通角都近似等于 ，均属于高功率的非线性放大器。
5.线性度
6.隔离度
四、功率放大器的设计步骤
1.依据应用要求（功率、频率、带宽、增益、功耗等），选择合适的晶体管
2.确定功率放大器的电路和类型
3.确定放大器的直流工作点和设计偏置电路
4.确定最大功率输出阻抗
5.将最大输出阻抗匹配到负载阻抗（输出匹配网络）
6.确定放大器输入阻抗
7.将放大器输入阻抗匹配到实际的源阻抗（输入匹配网络）
2.准备工作
1）调整直流源，输出端口选择为端口1，将输出电压设定为3V，电流限定在125mA。
2）校准矢量网络分析仪，校准的频率范围：1.8GHz～2.5GHz，矢网输出功率为-20dBm，保存校准文件。
3）校准功率计，使信号发生器的真实输出与功率计上所显示的功率值一致。
3.测试
1）直流工作点的测试
实验四：射频功率放大器
【实验目的】
通过功率放大器实验，让学生了解功率放大器的基本结构，工作原理及其设计步骤，掌握功率放大器增益、输出功率、频率范围、线性度、效率和输入/输出端口驻波比等主要性能指标的测试方法，以此加深对以上各项性能指标的理解。
【实验环境】
1．实验分组：每组2~4人
2．实验设备：直流电源一台，频谱仪一台，矢量网络分析仪一台，功率计一只，10dB衰减器一个，万用表一只，功率放大器实验电路板一套
3. LNA电路方案的确定
为满足设计的性能指标，PA的电路方案采用两级放大，前后两级偏置电路使用对称结构。确定功率放大器工作点负载线的中点，使它工作在A类，具有很好的线性度。第一级采用最大增益匹配，第二级输出匹配网络采用功率匹配，级间共轭匹配。
4. 直流（电压/电流）偏置电路设计
本实验所用功率放大器采用基极分压射极偏置电路，但将它的射频扼流圈换为一端开路的四分之一波长传输线。这样就综合了基极分压射极偏置电路和传输线偏置法的优点，既能使放大器的工作点稳定又能抑制偶次谐波，还能改善放大器的稳定性。
PA阻抗匹配/转换电路设计基本步骤：
1）确定最大功率传输负载阻抗
2）将最大功率传输负载阻抗匹配到实际的负载阻抗
3）确定放大器输入阻抗
4）匹配放大器输入阻抗到信号源阻抗
功率放大器的匹配网络均采用单节短截线匹配法。匹配顺序为从后级往前级匹配。第二级的输出匹配网络采用功率匹配，即确定晶体管的最大功率传输负载阻抗，将所得到的最大功率传输负载阻抗匹配到实际负载阻抗，输出端匹配好以后，测出此时晶体管的输入阻抗。第一级采用最大增益匹配，将其要求的输出阻抗共轭匹配到第二级的输入阻抗，再将其输出阻抗匹配到实际的负载阻抗。这样就完成了整个放大器的匹配电路设计。
8.仿真功率放大器的性能和优化
9.电路制作与性能测试
源自文库10.性能测量与标定
五、本实验所用功率放大器的简要设计过程
1. PA设计的性能指标
频段/GHz
1.8～2.5
线性增益/dB
>=30
等驻波比VSWR
<=2.5
1dB压缩点P1dB/dBm
>=20
增益平坦度/dB
±1
2. 晶体管的选择
本实验所选用的晶体管为安捷伦公司的ATF54143_PHEMT，这种晶体管适合用来设计功率放大器。单管在1.8～2.5GHz处能达到的最大资用增益大于18dB，而1dB压缩点高于21dB。
上图中， R1与R2一起构成分压回路，R3为限流电阻，旁路电容C2、C3与四分之一波长传输线L1、L2起阻止基波流向直流源并抑制偶次谐波的作用。电容C4、C5起隔直通交作用，而旁路电容C1负责滤除直流源的杂散信号。
5. 阻抗匹配/转换电路设计
阻抗匹配/转换电路设计取决与放大器要求的增益、输出功率、效率、线性度和交调失真比等指标。
2.在功率放大器实验电路板上测量PA的主要技术指标：
a.功率增益（Gain）
b.频率范围（Frequency Range）
c.回波损耗（Return Loss）
d.驻波比（Stand Wave Ratio）
e.1dB压缩点（1dB Power）
f.三阶交调点（ and ）
【实验步骤】
1.在做实验之前，观察实验板的电路结构，认清各部分电路元件的作用，体会PA的工作原理。
偏置电路和匹配电路设计好以后，整个功率放大器本身的设计已完成。为了保险起见，还需设计一个直流保护电路，以保证当输入的直流电压和电流过大时，功率放大器电路不会受到损坏。
六、实验使用的PA电路图
图2 PA实验电路的原理图
图3 PA版图
图4 PA实验电路平台
【实验内容】
1.参考实验原理图，理解功率放大器设计的基本方法。
将功率放大器的直流输入端连接到直流源的端口1，按下直流源的输出键，观测此时直流源的电压输出值Vcc和电流输出值Icc并做记录
使用万用表，分别测前后两级EPHEMT的 和 ，并做相应记录，以此可以确定两级EPHEMT的直流工作点Q1和Q2。
2）PA的主要性能指标测试
将PA的射频输入端连接到矢量网络分析仪的端口1，射频输出端接到矢网的端口2。按下矢网的Power ON键，采用频率扫描，测量并保存PA的S参数，用Marker键找出增益即 的最大值，其对应的频点为中心频率，并找出增益下降1dB的频率范围（1dB带宽）。
二、功率放大器的技术要求
功率放大器用于通信发射机的最前端，常与天线或双工器相接。它的技术要求为：
1. 效率越高越好
2. 线性度越高越好
3. 足够高的增益
4. 足够高的输出功率
5. 足够大的动态范围
6. 良好的匹配（与前接天线或开关器）
三、功率放大器的主要性能指标
1.工作频率
2.输出功率
3.效率
4.杂散输出与噪声
【实验原理】
一、功率放大器简介
功率放大器总体可分成A、B、C、D、E、F六类。而这六个小类又可以归入不同的大类，这种大类的分类原则，大致有两种：一种是按照晶体管的导通情况分，另一种按晶体管的等效电路分。按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角大小，功率放大器可分A、B、C三类。在信号的一周期内管子均导通，导通角 （在信号周期一周内，导通角度的一半定义为导通角 ），称为A类。一周期内只有一半导通的成为B类，即 。导通时间小于一半周期的称为C类，此时 。如果按照晶体管的等效电路分，则A、B、C属于一大类，它们的特点是：输入均为正弦波，晶体管都等效为一个受控电流源。而D、E、F属于另一类功放，它们的导通角都近似等于 ，均属于高功率的非线性放大器。
5.线性度
6.隔离度
四、功率放大器的设计步骤
1.依据应用要求（功率、频率、带宽、增益、功耗等），选择合适的晶体管
2.确定功率放大器的电路和类型
3.确定放大器的直流工作点和设计偏置电路
4.确定最大功率输出阻抗
5.将最大输出阻抗匹配到负载阻抗（输出匹配网络）
6.确定放大器输入阻抗
7.将放大器输入阻抗匹配到实际的源阻抗（输入匹配网络）
2.准备工作
1）调整直流源，输出端口选择为端口1，将输出电压设定为3V，电流限定在125mA。
2）校准矢量网络分析仪，校准的频率范围：1.8GHz～2.5GHz，矢网输出功率为-20dBm，保存校准文件。
3）校准功率计，使信号发生器的真实输出与功率计上所显示的功率值一致。
3.测试
1）直流工作点的测试
实验四：射频功率放大器
【实验目的】
通过功率放大器实验，让学生了解功率放大器的基本结构，工作原理及其设计步骤，掌握功率放大器增益、输出功率、频率范围、线性度、效率和输入/输出端口驻波比等主要性能指标的测试方法，以此加深对以上各项性能指标的理解。
【实验环境】
1．实验分组：每组2~4人
2．实验设备：直流电源一台，频谱仪一台，矢量网络分析仪一台，功率计一只，10dB衰减器一个，万用表一只，功率放大器实验电路板一套
3. LNA电路方案的确定
为满足设计的性能指标，PA的电路方案采用两级放大，前后两级偏置电路使用对称结构。确定功率放大器工作点负载线的中点，使它工作在A类，具有很好的线性度。第一级采用最大增益匹配，第二级输出匹配网络采用功率匹配，级间共轭匹配。
4. 直流（电压/电流）偏置电路设计
本实验所用功率放大器采用基极分压射极偏置电路，但将它的射频扼流圈换为一端开路的四分之一波长传输线。这样就综合了基极分压射极偏置电路和传输线偏置法的优点，既能使放大器的工作点稳定又能抑制偶次谐波，还能改善放大器的稳定性。
PA阻抗匹配/转换电路设计基本步骤：
1）确定最大功率传输负载阻抗
2）将最大功率传输负载阻抗匹配到实际的负载阻抗
3）确定放大器输入阻抗
4）匹配放大器输入阻抗到信号源阻抗
功率放大器的匹配网络均采用单节短截线匹配法。匹配顺序为从后级往前级匹配。第二级的输出匹配网络采用功率匹配，即确定晶体管的最大功率传输负载阻抗，将所得到的最大功率传输负载阻抗匹配到实际负载阻抗，输出端匹配好以后，测出此时晶体管的输入阻抗。第一级采用最大增益匹配，将其要求的输出阻抗共轭匹配到第二级的输入阻抗，再将其输出阻抗匹配到实际的负载阻抗。这样就完成了整个放大器的匹配电路设计。
8.仿真功率放大器的性能和优化
9.电路制作与性能测试
源自文库10.性能测量与标定
五、本实验所用功率放大器的简要设计过程
1. PA设计的性能指标
频段/GHz
1.8～2.5
线性增益/dB
>=30
等驻波比VSWR
<=2.5
1dB压缩点P1dB/dBm
>=20
增益平坦度/dB
±1
2. 晶体管的选择
本实验所选用的晶体管为安捷伦公司的ATF54143_PHEMT，这种晶体管适合用来设计功率放大器。单管在1.8～2.5GHz处能达到的最大资用增益大于18dB，而1dB压缩点高于21dB。