宽带射频功率放大器设计
【摘 要】本文所设计的宽频带大功率放大器在实验室环境下完成了组装和测试，并长时间与发射线圈进行了联试。试验及实用表明，该放大器运行正常，工作可靠，能够完成宽频带射频脉冲的大功率放大，满足了设计要求，对在该频段下工作的某探测设备起了很大作用，效果良好。
【关键词】宽带;射频功率;放大器设计
前言：
本文的大功率寬频带线性射频放大器是利用MOS场效应管(MOSFET)来设计的，采取AB类推挽式功率放大方式，其工作频段为0.6M～10MHz，输出的脉冲功率为1200W。经调试使用，放大器工作稳定，性能可靠。调试、试验和实用时使用的测试仪器有示波器、频谱分析仪、功率计、大功率同轴衰减器、网络分析仪和射频信号发生器。
一.双向射频功率放大器概述
双向射频功率放大器主要由发射电路、接收电路和收发切换电路组成，其中收发切换电路包括定向耦合器、功率检测、电平转换和2路单刀双掷开关。射频前端输入的信号经定向耦合器送往发射电路，经过小信号放大器、驱动放大器和末级功放电路，最终通过天线转换成电磁波信号发射出去。接收电路的功能主要是将天线接收到的微弱电磁波信号转换成电信号，并经过低噪声系数放大器，放大输出后经定向耦合器到射频前端进行数字解调。收发切换电路主要将射频前端发射时的耦合功率经过功率检测电路之后输出线性直流电压，然后通过电平转换电路转成控制电平1和控制电平2，分别控制2路单刀双掷开关通与断，以实现收发切换。
二.脉冲功率放大器设计
2.1电路设计
设计的宽频带大功率脉冲放大器模块要求工作频段大于4个倍频程，而且输出功率大，对谐波和杂波有较高的抑制能力;另外由于谐波是在工作频带内，因此要求放大器模块具有很高的线性度。针对设计要求，设计中射频功率放大器放大链采用三级场效应管，全部选用MOSFET。每级放大均采用AB类功率放大模式，且均选用推挽式，以保证功率放大器模块可以宽带工作。考虑到供电电源通常使用正电压比较方便，因此选用增强型MOS场效应管。另外为了展宽频带和输出大功率，采用传输线宽带匹配技术和反馈电路，以达到设计要求。由于本射频功率放大器输出要求为大功率脉冲式发射，因此要求第一、二级使用的MOSFET应具备快速开关切换，以保证脉冲调制信号的下降沿和上升沿完好，减少杂波和谐波的干扰。设计中第一、二级功率放大选用MOSFET为IRF510和IRF530。最后一级功放要求输出脉冲功率达到1200W，为避免使用功率合成技术，选用MOSFETMRF157作为最后的功率输出级。所设计的射频脉冲功率放大器电路原理图如图1所示。发射通道的建立都是在信号源产生射频信号后经过几级的中间级放大才把信号输入到功率放大级，最后通过天线把射频信号发射出去。图1中，输入信号为20～21dBm，50Ω输入;工作电压为15V和48V，其中15V为第一、二级功放提供工作电压，48V为最后一级功放提供工作电压;6V稳压输出可以使用15V或48V进行稳压变换，电路整体设计采用AB类功率放大，设计的驻波比为1.9。经过中间级放大后的信号，首先通过T1(4：1)阻抗变换后进入功率放大器。在信号的上半周期Q1导通，信号的下半周期Q2导通;然后轮流通过T2(16：1)阻抗变换进入第二级放大，同样信号的上半周期Q3导通，下半周期Q4导通，完成整个信号全周期的能量放大;进入最后一级放大时使用T3(4：1)阻抗变换，以继续增加工作电流驱动大功率MOSFETMRF157。为保证50Ω输出，输出端的阻抗变换为T4(1：9)。电路中使用负反馈电路的目的是在整个带宽频率响应内产生一个相对平稳的功率增益，保持增益的线性度，同时引进负反馈电路，有利于改善输入回损和低频端信号功率放大的稳定性。另外每一级电路设计中，都使用了滑动变阻器来设置每个管子的偏置电压，这样做大大降低了交越失真的发生，尽可能使放大信号在上、下半周期的波形不失真。
2.2电路板(PCB)和传输线变压器设计
为保证整个频带内信号放大的一致性，降低杂波和谐波的影响，宽频带高功率射频放大器采用了AB类功率放大，以保证电路的对称性。在设计PCB时，尽量保证铜膜走线的形式对称，长度相同。为便于PCB板介电常数的选取，整个PCB板为铅锡光板。在信号输入和输出端使用了Smith圆图软件计算和仿真铜膜走线的形状、尺寸，以确保阻抗特性良好匹配。
设计中的关键技术之一就是传输线变压器的设计和制作。利用传输线阻抗变换器可以完成信号源与功率MOSFET管输入端或输出端之间的阻抗匹配，可以最大限度地利用管子本身的带宽潜能。传输线变压器在设计使用上有两点必须注意：一是源阻抗、负载阻抗和传输线阻抗的匹配关系;二是输入端和输出端必须满足规定的连接及接地方式。由于设计中采用了AB类功率放大方式，因此初级线圈的输入与次级线圈的输出要尽可能保证对称。设计中一共使用了T1、T2、T3、T44个传输线变压器。在前两级功率放大时，T1和T2的次级线圈都是一圈，T3的次级线圈是二圈，这是因为磁材料的饱和经常发生在低频端，增加T3的初、次级线圈数，有利于改善低频端性能。T1、T2、T3使用同轴线SFF-1.5-1的芯线作为初级线圈传输线，次级线圈采用铜箔材料设计，使用厚度为0.8mm的铜箔。T4为进口外购的高功率传输线变压器(型号：RF2067-3R)。设计的T1如图2所示。
图2中深色区域代表覆铜区域。铜箔管首先穿过磁环后再穿过两端的铜膜板并焊接在一起，完成次级线圈。T2的设计基本与T1相似，只是使用同轴线SFF-1.5-1的芯线缠绕的初级线圈圈数不同而已。
2.3散热设计
凡是射频功率放大，其输出功率很大，管子的功耗也大，发热量非常高，因此必须对管子散热。根据每一级管子的功耗PD以及管子的热特性指标，这些热指标包括器件管芯传到器件外壳的热阻，器件允许的结温为TJ、工作环境温度为TA等，可以计算出需要使用的散热材料的尺寸大小和种类。本设计中，器件的工作环境温度为55℃，使用的铝质散热片尺寸为290mm×110mm×35mm，而且需要使用直流风机对最后一级MOSFET进行散热处理。
三.脉冲功率放大器的组装和调试
设计中使用的放大管全是MOSFET，由于其抗静电性能非常差，稍不留神就会因为焊接设备上的静电把管子烧坏，尤其是最后一级的大功率MOSFET(MRF157)，因此管子安装时要特别小心。设计电路前，可以使用Multisim软件或Pspice软件中的器件模型来熟悉IRF510和IRF530的使用。电路开始调试时，可以先不对最后一级的MOSFETMRF157进行偏置电压设置。先通过测试前两级的放大效果来设定MRF157的静态工作点，测试得到的前两级信号放大结果为100VVp-p(高阻输入)左右。调试时每个管子的工作点电压不要太高，略高于开启电压VGS(TH)即可。在电源端一定要监视工作电流，防止电流过大。通过微调每个管子栅极端的变压器调整静态工作点，以求尽量减少波形失真。此时可以使用示波器监控波形输出。根据对前两级电路调试的实际结果来看，第一级主要对放大后的幅度有影响，而第二级则影响了放大后的波形。调试最后一级功率放大时，由于MRF157太过昂贵，一定要非常谨慎。每次调试时，尽可能先设置好每个管子的静态工作电压，不要动态改变静态工作点。终端接入50Ω大功率同轴衰减器后输入到频谱分析仪中。通过频谱分析仪的频域波形可以得到输出功率，以及谐波分量。
结束语：
随着现代无线通讯技术的发展，宽频带大功率技术、宽频带跳频、扩频技术对固态线性功率放大器设计提出了更高的要求，即射频功率放大器频率宽带化、输出功率更大化、整体设备模块化。
参考文献：
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作者：孙伟 唐进
摘 要：针对当前应用于北斗卫星系统的射频功率放大器的小功率、低效率、高成本等缺点，本文提出一种基于功分合路器的改进型三级级联射频功率放大器设计方案。利用负载牵引法对末级功率放大器进行设计，利用集总参数与分布参数相结合的技巧对微带低通滤波器进行设计，利用小信号S参数法对前置级放大器进行设计。通过详细的理论分析和仿真优化，结合射频硬件电路和结构的设计要求，实际制作并实现稳定高效的30 W射频功率放大器设计。该方案可使低供电电压的小功率射频器件实现较大功率输出，并较好地兼顾线性度和效率。
关键词：中国北斗卫星导航系统;射频功率放大器;功分合路器;微带滤波器
中圖分类号：TN722.7
文献标识码： B
随着中国北斗卫星导航系统的不断完善，北斗卫星导航系统正逐步从区域性卫星导航系统发展成为全球性卫星导航系统。北斗系统所独具特色的短报文通信功能，使其在国防、民生等领域得到越来越广泛的作用[1-2]。射频功率放大器作为北斗卫星导航与通信终端设备的末级信号放大器，其性能的好坏直接关乎发往卫星信号的质量和终端设备的电源效率。然而，由于通常采用的大功率射频功率放大器存在线性度不理想、电源效率低、供电电压高、成本高、易受温度影响等问题[3-4]，制约了其在北斗通信终端中的应用。目前，北斗卫星相关产业发展缓慢，大功率射频放大器方案主要采用进口芯片，通过高电压供电，成品移动性较差。
为解决上述问题，本文在传统三级级联射频功率放大器结构基础上，通过引入功率分配器和功率合成器，形成对称性电路的解决方案，从而在保证足够的线性输出功率的前提下，降低供电电压要求，并提高电路稳定性。同时，通过结合微带低通滤波器设计，进一步减低系统的谐波干扰。
1 系统组成
本文提出的射频功率放大器结构如图1所示，它主要由前置级放大器、功率分配器、驱动级放大器、末级功率放大器、功率合成器和低通滤波器等单元电路组成。
射频功率放大器的输入信号为北斗射频发射通道输出的中心频率1.61568 GHz、功率为0 dBm的BPSK调制信号。考虑到功率分配器的插入损耗约为3 dB、功率合成器增益约为3 dB、输出滤波器的插入损耗接近于0 dB，为达到30 W(44.8 dBm)线性输出功率，要求上下两路末级射频功率放大器的P1dB应大于15 W(41.8 dBm)。综合考虑线性度、增益、供电电压和封装等因素，末级射频功率放大器选用LDMOS工艺的场效应晶体三极管PD20015C。LDMOS工艺具有良好的线性度、稳定性和温度特性，能够较好地解决效率和线性度的问题。同时，采用LDMOS工艺的单级功放可提供较大的功率增益(约12 dB)，故驱动级放大器的P1dB输出功率确定为1 W(30 dBm)、增益为25 dB。低通滤波器、功率分配器和功率合成器均采用微带线形式实现，既可以确保低插损，也可以提高稳定性。综合以上分析，前置级射频功率放大器增益只要大于8 dB即可满足射频链路要求。
2 射频链路分析与设计
2.1 功率分配器与功率合成器
功率分配器和功率合成器的主要指标包括回波损耗、插入损耗、隔离度、工作频段等。由于无源结构的功率分配器与功率合成器是一对互易网络，二者具有完全一致的结构和性能，故对其中一种的分析设计同样适用于另一种[5-6]。以下以功率分配器为例进行分析设计。
本文采用的功率分配器结构如图2所示。图中，端口1为输入端口，其源阻抗为Z0;端口2和端口3为输出端口，其负载阻抗分别为R2和R3;两段1/4波长传输线的特性阻抗分别为Z02和Z03，电阻R为隔离电阻。则输出端口2和3的输出功率分别为为了满足功率分配器输出端口的平衡性，可令功分比k2=1，端口源阻抗Z0=50 Ω。由上式可得，Z02=Z03=70.7 Ω，隔离电阻R=100 Ω，λ/4=4.62 cm。
结合电路结构图和电路参数进行实际电路的仿真优化设计，仿真结果如图3所示。从图可以看出，在频率为1.616 GHz处，所设计的功率分配器的插入损耗为3.038 dB，输出端口的反射损耗达41.89 dB(即反射系数很小)，两个输出端口之间的隔离度达38.4 dB。可见，所设计的功率分配器的各项性能指标均符合设计要求。
2.2 末级功率放大器
射频功率放大器主要由输入输出匹配电路、偏置电路、有源器件三部分组成[7]。通常的设计方法是：在工作频段内绝对稳定的条件下，设置的偏置电路应使有源器件的静态工作点位于线性放大区，并保证具有最大的线性度区间[8];通过输入输出匹配电路的合理设计，实现有源器件对源阻抗和负载阻抗的匹配，从而保证功率放大器的增益、效率和输出功率。
为了最大化器件性能，本文采用负载牵引和源牵引相结合的方法设计匹配电路。牵引法设计的核心思想是在大信号的持续激励下，通过自动调节阻抗变换器，得到器件在不同阻抗下的效率值和功率值，并绘出等功率曲线和等效率曲线[9]。首先，调用负载牵引模板寻找最佳阻抗ZL，通过调整匹配网络、圆心和半径等参数，找到最大效率点和最大功率点，仿真结果如图4所示。
从图4可以看出，在最大功率点处，负载阻抗=1.436+j0.878，根据阻抗参数可运用史密斯圆图完成输出共轭匹配，并将输出匹配网络导入原理图中。源牵引法仿真过程同负载牵引法类似，这里不再赘述。针对输入输出匹配网络进行仿真设计和优化后，得到末级功率放大器的输入输出特性如图5所示。
由图5可知，当输入功率为30 dBm时，输出功率为41.809 dBm(满足15 W设计要求)，且工作点位于P1dB压缩点以内，在保证输出功率和线性度的同时，也兼顾了效率。
2.3 微带滤波器
随着频率的升高，集总参数滤波器的幅频特性受寄生参数的影响将越来越大，而分布参数滤波器在频率高端具有插入损耗小、一致性高的优点，但占用面积较大[10]。本文采用集总参数与分布参数相结合的电路设计方法，并通过Richards变换和Kuroda规则进行巴特沃兹低通滤波器设计，以获得体积较小、抑制谐波能力强、输出阻抗匹配和输出端隔离度好的效果[11]。
2.4 前置级和驱动级放大器
由链路分析可知，前置级射频功率放大器增益为8 dB，驱动级射频功率放大器增益为25 dB。为了适应输入信号的变化范围，前置级射频功率放大器设计成增益可调式，故选用了专用射频集成放大器，其功率增益范围为0～22 dB、P1dB压缩点输出功率为17.8 dBm。通过输入输出阻抗匹配网络的设计，分别实现与50 Ω实阻抗的匹配。
驱动级射频功率放大器选用线性增益为25 dB，在1.616 GHz处的最大输出功率可达30 dBm的射频集成放大器，以满足推动末级射频功率放大器的要求。
2.5 系统联合仿真
结合以上各单元电路的设计结果，对整个电路做系统联合仿真。三级级联射频功率放大器的总体仿真电路如图7所示。
3 实物验证与测试
进行实物设计时，结合射频硬件电路的设计原则，准确设计走线阻抗，严格控制走线长度，并注意接地散热和腔体屏蔽等问题。板材选用Rogers4350B，该板材具有低插损、温度稳定性好等优点。完成PCB版图设计、电路板加工和元器件焊接后，实际设计结果如图9所示。
通电后，借助于频谱分析仪、网络分析仪等对电路参数进行调试，使其处于最佳工作状态。用伪码发生器调制单载波来模拟北斗BPSK调制信号，并作为本射频功率放大器的输入信号(输入功率电平为0 dBm)，可测得输出功率的频谱图如图10所示。
从频谱图可以看出，此时带内功率44.787 dBm(满足30W的设计要求)。当逐渐增大输入信号时，输出功率不再呈现线性地同步增大，说明射频功率放大器已开始进入非线性状态;而当逐渐减小输入信号时，输出功率随之线性地减小。可见此时功放工作状态刚好处于P1dB压缩点附近，功率放大器的线性度和效率都处于较高的水平。
4 结论
本文提出一种改进型三级级联射频功率放大器的设计方案。通过合理分配系统中各功能单元电路的技术指标，并对系统中的增益、线性度和S参数做详细分析，经过仿真设计和实物测试，验证了本设计方案的可行性。采用本文方法設计制作的30 W射频功率放大器具有稳定性好、效率高、谐波干扰小等特点，已应用于北斗卫星导航通信终端上。
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(责任编辑：周晓南)
作者： 高贵虎 苏凯雄
【摘要】以真空电子管为核心放大器件的大功率高频功率放大器，其电子管极间电容的存在，会引起高频功率放大电路直通和反作用的不良影响，进而影响高频功率放大器的稳定工作。本文通过分析极间电容直通和反作用产生的原理，给出了几种消除极间电容寄生参数的方法，并总结了实际中用中和电路消除极间电容寄生参数的调整方法，对高频功率放大器发射机的实际调试与维护有很强的理论与实际指导意义。
【关键词】高频功率放大器；电子管；直通；反作用；中和；调整方法
1.前言
以真空电子管为核心放大器件的大功率高频功率放大器，理论上电子管栅极电压对阴极的控制作用，完全是通过栅极电压所产生的电场对阴极发射出的电子加速作用而实现的，但实际上由于电子管极间电容的存在，尤其是板极和栅极之间的极间电容，使电子管的栅极回路和板极回路互相耦合，引起高频功放电路直通和反作用的不良影响，从而引起高频功放工作不稳定。板栅极间电容对高频功放电路的影响程度与放大器使用频率有关。在长波发射机中，由于频率低，板栅极间电容的影响可以忽略不计；对中波机来说就要考虑其影响，对于短波机特别是超短波发射机来说，不但要考虑极间电容的影响，还要考虑引线电感的影响，这主要是随着工作频率的升高，极间电容容抗会随之变小，而引线电感的感抗会随之产生且逐渐变大。所以，在实际工作中，必须采取有效的措施，采用中和电路的方式，消除电子管极间电容及线路引线等效电感对高频功放的危害，使高频功率放大器安全、稳定的运行。
2.极间电容所产生的不良影响
2.1 直通作用
如图1-1（a）所示为电子管共阴电路，电路中除有用的激励电压Ug和板极谐振回路外，还有元件结构性引起的极间电容，板极和栅极之间的板栅极间电容Cag，板极和阴极之间的板阴极间电容Cak，栅极和阴极之间的栅阴极间电容Cgk等寄生参量。Cak、Cgk可分别合并为输入和输出回路，而Cag跨接在两个回路之间，这样激励信号产生的高频电流的一部分通过Cag直接送到了板极回路，在谐振回路两端产生压降，等效电路如图1-1（b）所示，其工作频率越高，则影响越大，这个现象就叫直通。
直通作用所造成的不良影响是，当电子管的板极电流截止时，由于直通的存使激励信号产生的高频电流的一部分会通过Cag直接送到了板极回路，使板极回路的电流不能完全的截止，当有调幅时，得不到100%的调幅，造成调幅信号的失真，同时也增加了激励信号的功率消耗。
2.2 反作用
在探讨电子管极间电容对高频功放电路的反作用之前，首先对电子管高频功率放大器典型的、被广泛使用的电路形式进行一下说明，电子管高频功率放大器以电子管的阴极作为高频公共点，信号被送到栅极和阴极之间，从板极和阴极之间输出，以谐振回路作为负载，工作在丙类（效率高）状态，具有较高功率增益，板极谐振回路形式多用并联谐振回路。高频功率放大器要实现最大功率值输出，就是主要完成板极回路电容、电感的调谐，满足其并联谐振的条件。在回路谐振时，电路中的电压、电流参量有如下特征：栅压和板压反相1800；板流直流分量和栅流直流分流量变化相反，板流直流分量最小与栅流直流分流量最大值应同时出现。
下面我们就探讨电子管极间电容对高频功放电路的反作用，反作用就是板极电流的一部分通过Cag反馈到本级栅极回路，引起输入回路阻抗变化而失谐的影响。
如图1-1（a）所示，反作用电流为，反作用电流对激励电压的影响可用导纳来表示，即。由于在谐振时，栅极回路电压与板极回路的相角差为零，故有。这说明反作用是输入导纳变成容性，输入电容的数值为，它使放大器的输入阻抗变化，且因起前级板极回路失谐，工作不稳定。对于本级板流来说，因栅极失谐，使谐振时板流的最小值和栅流的最大值不同时出现。这就是电子管极间电容对高频功放电路的反作用。
除了电子管极间电容，板极和栅极之间还会存在其他的杂散耦合，还有板极、栅极元件布局，各槽路间高电位和低电位之间，也都会产生类似极间电容那样的寄生耦合。
3.消除极间电容不良影响的方法
电子管的极间电容，放大器各级和板、栅极之间产生寄生耦合，都会因直通和反作用影响高频功率放大器的稳定工作。而消除此不良影响的方法有以下几种：
●采取中和电路。就是在原电路中加入另外一个电路，其作用与Cag作用相反，以抵消其对电路所产生的影响。
●选用隔离效果更好的四、五极是电子管。虽然Cag不大，但还是可能产生不稳定现象，所以也必须加中和电路。
●采用倍频法。由于倍频器的栅极和板极回路的谐振频率相差很远，因此，直通和反作用将大为减弱。但此法应用有限，一般仅在激励器中使用。
●采用栅极接地电路，即栅地电路。在这种电路中，板栅极间电容不再是板极电路和栅极电路的主要耦合元件，耦合元件是板极和阴极之间的极间电容。因为栅地电路的这个优点，故被广泛应用。但即使板阴极间电容很小，但在工作频率很高时，有时还是需要针对板阴极间电容而加中和电路。
4.中和电路的调整
为了高频功率放大器设备的安全，消除电子管极间电容及线路引线等效电感的危害，特别是大、中型的高功放发射机，在调试时，必须首先调整好中和电路后，然后才能加板压，使高频功率放大器工作。
在实际工作中，由于制造、安装和电子管参量误差等原因，实际的极间电容，中和电容，引线电感等数值，不可能是一个定值。因而中和元件一般都做成可以调整的，以便按照实际情况进行适当调整。一般的方法是，首先从消除直通开始，然后在消除反作用。
下面介绍几种调整中和的方法。
4.1 栅流凹落中和法
调整时利用放大器本身的栅流表作为指示器，不加板压，开启灯丝，加适当的激励电压。观察栅流表，调谐板极回路，若电路中中和不完善，则栅流表的变化如图3-1。
原理：当板极回路调谐到栅极激励电压频率时，由直通效应送到板极回路的功率最大，结果使前级板极回路（本级的栅极回路）的电压最小，因而使激励电压减小。因为栅极电流与栅极激励电压成比例的，所以在调整板极回路时，有栅流凹陷，且在谐振点最小。
调整方法：调整中和电容，使栅流慢慢回升，同时必须保持前级回路处于谐振状态，如此反复调整，直到完全消除直通。即在谐振点附近调整板极回路，栅流不再变动。为什么要反复调整呢？因为中和电容的引入，其阻抗构成前级板极回路的一部分，因此在调整中和电容的同时，前级板极回路也就发生了失谐变化，所以在调整中和电容消除直通作用的同时，必须得同时调整前级板极回路的其它调谐元件，使前级始终处于谐振状态，即调整前级板级回路，使栅流始终处于最大点。
4.2 观测板极槽路电压法
原理：理论上讲在功率放大器电路中直通被抵消后，不加板压的中和级功率放大器，板极槽路中应该没有高频电压存在。所以实际中可以用多种方法对这个高频电压进行监测，调整中和电容，使高频电压监测指示最小，此时中和电容器值就是中和点，这样就认为中和被调好了。
方法：在功率放大器板极槽路两端接示波器或高频电压表作为监测仪器，加激励电压，灯丝电压可加可不加，不加板压。
先将中和电容减到最小，调谐板极槽路，使监测有明显的高频电压指示，再逐渐增加中和电容，观测高频电压指示，直到高频电压指示最小。和上一方法一样，当中和电容的调整影响前级板极回路谐振时，必须反复调整前级板极回路调谐元件使其始终处于谐振状态。
4.3 板栅流反向检查法
按照上述两种方法消除了直通现象以后，为更细致的检查中和是否完善，应进一步检查是否还存在反作用。
原理：理论上讲，在中和良好的高频功率放大器电路中，电子管板极回路处于谐振状态，回路电压达最大值，而电子管板压为最小值，栅极电压达最大值，故板流最小值和栅流最大值应该同时出现如图3-2。如果存在反作用，栅极的输入阻抗将随反作用电流而变化，使前级工作状态发生变化，因此调谐板极回路时，板流最小值和栅流最大值不同时出现。
方法：功率放大器电路加上正常的板压、栅压和激励电压，在调谐点附近转动板极回路电容，同时观察板流和栅流的情况，板流最小值和栅流最大值不同时出现，则应重新调整中和电容，直到其两者同时出现。
5.结束语
电子管由于其结构性极间电容的存在，在以其为核心放大元件的高频功率放大器中，必然产生着寄生耦合，引起放大器的不稳定工作。引入中和电路，能有效的消除了极间电容造成的不良影响，从而使高频功率放大器正常稳定的工作。
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作者简介：孙英男，男，陕西西安人，大学本科，工程师，主要研究方向：电子信息与通信。
作者：孙英男
摘 要：大功率高速射频功率放大器是提升无线通信系统的有效模式。通过无线电通信系统的操作，实现发送、接收、无线信道的3个部分操作。依据无线电电磁波的传输信道操作，加强数据传输信息的系统化应用。射频电波船舶的频段操作过程中，需要通过工作频段和信息范围的扩展传输，不断提升传输分类操作标准，明确中波、短波、超短波、微信通信的操作应用，调整无线数据通信的组成模式。
关键词：通信 大功率 射频
无线通信信道是通信系统的基本传输介质，由射频信号波以长短波进行信息传输。传输过程中，在高低电离层之间进行反射传输，折射、散射，损耗能量。接收过程中可能受不同频率的干扰影响，造成信号受损。依据无线系统的实际情况，加强通信信道的高效传输，提高可靠操作模式的应用，借助线性、非线性的电路信息信号，实现变换处理，实现调制、解调、放大等操作。射频技术对整体无线系统具有重要作用，在无线系统发射操作过程中，需要重视射频信号系统的基带信号操作，调整混频变频操作，确定通信信号的搬迁[1]。
1 射频大功率发展现状
通信基站中的CDMA标准基站，通过4项键控模式，通过多路载波的放大，确定信号的幅度标准。依据时间变化进行变化，调整射频放大器标准模式下的线性标准水平。依据数据传输速率水平进行分析，确定放大器的实际特殊特性。充分考虑实际的经济环境和效果，调配放大器的实际效率、增益，对其可能存在的影响运营水平进行成本分配，判断增益的标准和增加减少比例关系，采用合理的选配系数分析，逐步减少设备的投入比例关系，提高经济效率，减少功率级数选配，减少投入，提高效率，控制成本，实现射频功率放大器整体设计模式的更新[1]。
2 射频功率放大器工作原理及标准结构
2.1 射频放大器的基本结构
射频功率放大器是重要的射频系统单元，放置在其底端。依据信号的实际频谱带操作，实施有效的放大操作。通过输出功率等级的调整，确定其实际的水平。按照单级别的功率放大器操作模式，通过输入的有源器件模式进行匹配，确定输出匹配的网络信号，调整信号源的负载构成模式。有源器件模型依据现有的技术标准要求，对其工作条件进行选配，确定输入匹配的网络结构，对射频源、有源器件进行端口入分析，确定输出匹配的网络连接负载情况，完成各个匹配功能的分析，实现最佳状态的攻放模式应用。
射频器件中包含有源和无源两种，根据其电路模型石油有源进行区分。双级晶体管通过有基、射频级、集电极三端进行分配，调整确定NPN和PNP模式，确定其实际的工作特性和发射级别。按照匹配的网络基础，调整目标频带内的阻抗变化操作，实现负载阻抗信号源的相互适配效果，从而达到最大功率的输出，实现实际设计效果符合整体网络的作用标准[2]。
2.2 射频放大器的双接口标准
功率放大器按照设计仿真操作，调整有源器件的等效电路模式，确定设计的方法和经验技巧。通过双扣网络电路的有源器件分配，双极晶体管、场效应等一系列的操作，实现非线性的使用技术操作。通过数据参数的交叉调整，确定系统电路和电路行为的操作模式。依据双口交叉或多口独立网路交叉等模式，形成网路传输的矩阵传输单元，确定电路稳定运行的操作标准。
2.3 射频放大器的性能指标
功率放大器需要有一定的参数指标，在有效的工作频率范围内施工。按照相关指标范围，调整工作功率模式。依据实际的工作范围标准，确定工作范围，调配有效信号放大的传输功能。其指标包含输出功率、增益、效率、线性标准度等。按照功率放大器的输出标准，确定有用的频带标准，分析负载射频信号的功率综合，确定输出功率模式。按照必要的输入功率进行转换，明确分功率的损耗模式，确定最佳的高低效率。依据功率放大器进行功率转换，确定交流的输出模式，明确线性的相互抵触操作，确定设计放大器的电路参数。对集电极效率、功率负载效率、总效率进行计算分析。调配功率放大器的增益，是输出与输入的比例关系，依据其急性指标分析，确定信号增益的变化范围，一般控制在20～30dBm之间。线性度是描述非线性电路的性能指标，是功率放大器的核心模块。依据整体系统的通信质量水平进行分析，调整通信系统的多元化操作，确定调制的载波、频带、幅值等思路。通过信号系统模式的操作，调整频率范围的传输信号标准。
2.4 射频放大器的工作模式
射频功率放大器工作模式较多。根据不同的偏置情况确定有源、无源，确定不同导通的状态。放大器需要较高的线性度。依据工作原理情况尽心分析，确定电路结构模式。直接调试的发射电路结构较多，通过发射基带信号，直接调制到发射中段品信号上，通过A类、B类、C类功率放大器，获取输出信号的功率。功率放大器一般是在饱和点范围内工作，通过频带功率信道的干扰、误码率分配，调整射频通信系统模式，明确功放的非线性失真标准来源。依据线性的信号处理标准和信通信号质量水平进行分析，调配线性技术对非线性的有效补偿作用。
通过功率回退、前馈、预失真、负反馈等几种线性化操作，调整不同的情况。例如，前馈线性操作中，通过结构稳定宽带的操作，处理闭环结构下的线性能力，确定多通道、多载波的宽带系统模式。调整检波器，逐步恢复调制技术标准[3]。
3 射频放大器的硬件电路
按照功率放大器的操作，分析输出电路的功率和效率性能指标，重点分析放大电路的结构模式。依据放大电路的增益标准进行要去分析，确定最大的负载阻抗和网路欧设计结构。根据射频放大器的技术标准，分析立元件的整体设计电路，确定射频电路的放大电路、调频电路、缓冲电路、驱动电路、功率放大器等模式。
设计步骤目标分析中，选配合理的射频功放管标准，确定电路功率的基本特性，确定耐压特征，明确放大电路的整体设计需求。依据射频功放的情况进行电路设计分析，选配合理的功率晶体管，确定放大电路的静态工作模式，确定偏置电路的设计，确定输出输入的网路匹配设计模式。通过仿真参数分析，确定仿真曲线提出软件设计的基本情况。按照通信设备确定系统单元，明确发射电路的射频机标准、带发射变换电路的射频机、调制发射机。根据不同的功率放大器确定发射信号的不同模式。
4 射频放大器的软件仿真
按照发射电路的实际情况进行仿真分析，确定输入功率为15dBm，输出功率为27dBm，明确增益，效率，失真标准。按照输出匹配的标准进行分析，确定电路的仿真标准模式。依据实际的輸出网络、仿真结构模式、功率频率情况进行判断，确定最优仿真结果。通过多电路的优化仿真处理，确定传输系统，降低传输的功率损耗标准，调整阻抗，优化电路的匹配，实现整体设计满足操作标准的要求。根据功率放大电路图进行PCB版图制作，遵照电路元器件的实际布局，确定电路分块操作模式。通过PCB金融熔锡系统处理，减少不必要的重复焊接操作，及时处理元器件的空间范围，确保电磁兼容有效性。
5 结语
综上所述，大功率高速射频功率放大器通过综合性能的提升，逐步加强射频功率方法设计仿真，实现绿色环保的功效提升，满足射频功率的相关放大指标性能，调整相关线性系统下的技术效率提升标准，确保射频功率放大器实际应用符合通信信号传输标准要求。
参考文献
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[3] 娄崇义.C波段射频功率放大器的研究[D].长春理工大学，2017.
作者：裴庆斐
摘 要：功率放大器作为无线通信系统中核心部件，对于无线通信系统的通信质量有着突出的作用和影响，尤其是随着无线通信技术的发展以及移动通信用户数量的不断增加，进行功率放大器及其电路的设计研究，具有十分突出的作用意义和影响。本文将以射频功率放大器为例，在对于射频功率放大器的工作原理分析基础上，采用ADS软件进行射频功率放大器及其电路的设计分析，以促进射频功率放大器在无线通信领域中的推广应用。
关键词：射频 功率放大器 电路设计 无线通信 设计
在无线通信技术领域中，GaN高电子迁移率晶体管作为最新的半导体功率器件，由于其本身具有宽禁带以及击穿场强高、功率密度高等特征优势，在高频以及高功率的功率器件中具有较为突出的适用性，在电子信息系统性能提升方面具有较为明显和突出的作用优势，在无线通信技术领域的应用比较广泛。针对这一情况，本文在进行射频功率放大器及其电路的设计中，专门采用ADS仿真软件对于射频功率放大器及其电路的设计进行研究分析，并对于仿真设计实现的射频功率放大器在无线通信技术领域中的应用和参数设置进行分析论述，以提高射频功率放大器的设计水平，促进在无线通信技术领域中的推广应用。
1 射频功率放大器的结构原理分析
结合功率放大器在无线通信系统中的功能作用以及对于无线通信技术的影响，在进行射频功率放大器的设计中，结合要进行设计实现的射频功率放大器的工作频带以及输出功率等特点要求，以满足射频功率放大器的设计与应用要求。在进行本文中的射频功率放大器设计中，主要通过分级设计与级联设置的方式，首先进行射频功率放大器的功率放大级以及驱动级设计实现，最终通过电路设计对于射频功率放大器的两个不同级进行连接，以在无线通信中实现其作用功能的发挥，完成对于射频功率放大器的设计。需要注意的是，在进行射频功率放大器的功率放大级结构模块设计中，主要应用GaN高电子迁移率晶体管进行射频功率放大器功率放大级结构模块的设计实现，同时在功率放大级结构模块的电路设计中，注重对于输出功率保障的设计;其次，在进行射频功率放大器的驱动级结构模块设计中，以C波段的功率放大模块设置为主，电路设计则以增益提升设计为主，并对于增益平坦度和输出输入驻波进行保障。如图1所示，即为射频功率放大器的功率放大级模块设计示意图。
2 射频功率放大器及其电路的设计分析
结合上述对于射频功率放大器的结构原理分析，在进行射频功率放大器的设计中，主要包括射频功率放大器的功率放大级设计和驱动级水，此外，对于射频功率放大器电路的设计，也需要结合两个结构模块的实际需求进行设计实现的。
2.1 射频功率放大器的功率放大级模块设计
在进行射频功率放大器的功率放大级模块设计中，主要采用GaN高电子迁移率晶体管进行该结构模块的设计实现，需要注意的是，在应用GaN高电子迁移率晶体管进行该结构模块的设计实现中，由于GaN高电子迁移率晶体管目前还不具有较大的信号模型，因此，在进行该结构模块设计中，注意结合实际设计需求进行选择应用。在进行射频功率放大器的功率放大级结构模块设计中，通过直流偏置仿真设计对于氮化镓管子的静态工作点进行确定，也就是实现氮化镓管子的漏极电流以及漏极偏置电压、栅极偏置电压等参数的确定，在对于上述氮化镓管子静态工作点进行确定后，通过ADS仿真软件实现场效应管直流的仿真设计，同时注意在仿真设计中进行二端口模型的添加，并结合上述GaN高电子迁移率晶体管的信号模型情况，进行S参数信号的编辑导入，同时进行直流偏置仿真控件的加入，进行相关数值的确定，以实现射频功率放大器的功率放大级设计。
此外，在进行射频功率放大器功率放大级负载阻抗的设计中，根据相关理论，在负载阻抗与网络匹配良好的情况下，负载阻抗的共轭复数与网络的输出阻抗值是相同的，因此，就可以通过计算对于射频功率放大器功率放大级负载阻抗值进行分析得出，实际上也就是它的共轭复数值。同时，在进行功率放大级设计中，结合封装参数输出端的阻抗模型，设计中为了实现场效应管输出电路匹配的优化，以为输出电路进行准确的负载阻抗提供，还需要在设计过程中将场效应管的封装参数在输出匹配电路中进行设计体现，因此就需要对于Cds参数值进行求取。
最后，在射频功率放大器功率放大级设计中，偏置电路主要是用于将直流供电结构模块中所提供的电压附加在功率放大器的栅极与漏极中，并实现射频信号以及滤波的隔离和电路稳定实现。在进行功率放大级的电路设计中，注意使用ADS软件工具对于微带线尺寸进行计算，病毒与全匹配电路进行微带线设计，同时通过栅极偏置电路与漏极馈电电路，以实现功率放大级的电路设计。此外，在进行功率放大级模块设计中，还应注意对于模块中的任意功率放大芯片，都需要进行相关的稳定性分析，以避免对于射频功率放大器的作用性能产生影响。
2.2 射频功率放大器的驱动级模块设计
在进行射频功率放大器的驱动级模块设计中，主要通过C波段功率放大模块进行该结构模块的设计应用。其中，在对于驱动级模块的参数设置中，对于输出、输入参数均以内匹配方式进行匹配获取。对于射频功率放大器的驱动级设计来讲，进行功率放大模块偏置电路的合理设计，是该部分设计的关键内容。
最后，在进行射频功率放大器的电路设计中，在进行功率放大模块电路设计中，GaN HEMT结构部分需要进行栅压的增加设置，并且需要注意栅压多为负压，在此基础上还需要进行漏压增加设置。值得注意的是，在进行射频功率放大器的偏置电路设计断开同时，对于栅压和漏压的断开顺序刚好相反，以避免对于功放管造成损坏。
3 结语
总之，射频功率放大器作为无线通信技术领域的重要器件，对于无线通信技术的发展以及通信质量提升都有重要作用和影响，进行射频功率放大器及其电路的设计分析，具有积极作用和价值意义。
参考文献
[1] 沈明，耿波，于沛玲.一种射频大功率放大器电源偏置电路设计方法[J].中国科学院研究生院学报，2006(1).
[2] 陈玉梅，钱光弟，龚兰.30MHz-512MHz宽带功率放大器的研制[J].中国测试技术，2007(2).
[3] 张雷，洪伟，周健义，等.3.5 GHz WiMAX射频功率放大器的实现及其预失真模型[J].东南大学学报：自然科学版，2010(6).
作者：李尧
【摘要】本文介绍了史密斯圆图理论，并使用ADS仿真软件和RD15VHF1芯片完成了射频功率放大器的设计，主要应用在VHF波段数字音频广播系统上，同时给出实际电路以及测试结果。
【关键词】功率放大器；ADS；数字音频广播；RD15VHF1
1.引言
DAB（数字音频广播，Digital Audio Broad-casting）是传统的AM、FM模拟广播之后新一代数字广播系统，采用编码正交频分复用的方式，有很高的频带利用率，并具有抗噪声、抗干扰、适合高速移动接收等优点。射频功率放大器作為DAB发射系统的重要组成单元之一，性能的好坏会直接影响到整个系统的工作。
本文利用史密斯圆图理论和安捷伦公司的ADS仿真软件设计射频放大器，通过史密斯圆图工具，代替了复杂的复数计算，最后参考仿真结果对实际电路进行调整和测试，完成设计并给出了具体的电路和测试结果。
2.理论分析
在信号传输的过程中，当信号进入晶体管后，由于阻抗的不匹配，会产生反射电压，反射电压的大小常用反射系数来衡量，且存在关系：
（1）
其中，为特征阻抗，从上式可以清楚的看出阻抗和反射系数之间的关系，这个关系式是一个复数，较为复杂且很不实用，可以用史密斯圆图来替代关系式（1）。
2.1 史密斯圆图
史密斯圆图是解决传输线、阻抗匹配极为有用的工具，是在电压反射系数的极坐标轴上，根据归一化阻抗同反射系数的关系式（1），在极坐标轴上绘制的阻抗曲线。图1和图2分别表示的是归一化阻抗实部（电阻）和虚部（电抗）在反射系数极坐标下的曲线，刚好为圆心和直径不同并在横轴上一点相交的圆。
根据串联或者并联不同的元件在圆图上会有不同的运动轨迹的方法，史密斯圆图可以方便的将阻抗匹配到的需要的值上，而不需要复杂的复数计算。
图1 史密斯电阻圆图
图2 史密斯电抗圆图
2.2 射频放大器的增益
增益是射频放大器的重要指标之一，功放的增益可表示为：
（1）
其中表示不同网络处的电压反射系数（如图3所示），S21表示晶体管的增益，由公式推导可得，若，，即共轭相等时，放大器可以获得最大增益。反映在史密斯圆图上就是将这两对反射系数的坐标分别匹配在相同的电阻圆上和相反的电抗圆上，即以横轴为对称轴的对称点上。
图3 网络的反射系数
3.功率放大器设计
本设计主要应用为VHF波段175-200MHz DAB发射系统，使用三菱公司的MOSFET晶体管RD15HVF1作为放大芯片，该芯片主要应用为VHF/UHF波段射频功率放大器。电路主要由功放芯片、偏置电路和匹配电路组成。设计指标为VSWR<2.0，增益>10dB，最大输出功率>30dBm。
3.1 偏置电路设计
3.2 匹配电路设计
芯片数据手册给出的175MHZ时的输入阻抗：2.34-j8.01（ohm），和输出阻抗：3.06+ j0.74（ohm）。使用安捷伦公司ADS仿真软件中的史密斯工具设计匹配电路，得到匹配电路和史密斯圆图轨迹，如图4和图5所示。
图4 输入端的匹配电路和圆图
图5 输出端的匹配电路和圆图
图6 最终的设计电路
3.3 实际电路与测试结果
根据仿真结果，对实际电路进行反复调试，得到最终的实际电路如图6所示。
分别对的输入和输出端的电压驻波比进行测试，得到：
图7 输入端（150～250MHz）
图8 输出端（150～250MHz）
实际测试该功放系统在180～200MHz时的增益为+10～+13dBm，最大输出功率+35dBm，符合设计要求。
4.结束语
输入和输出匹配是射频功率放大器设计中重要的一步，利用史密斯圆图可以方便快捷的得到理想的匹配电路，但是因为电路板材，走线不同，元器件的误差以及分布参数等的因素影响，实际的电路需要我们经过反复的调整才能得到需要的结果，但是从最终电路以及测试结果可以看出仿真结果基本能够正确的指导设计，并且最终得到满足要求的性能指标。
参考文献
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作者简介：朱鹏伟（1988—），男，河南安阳人，重庆邮电大学硕士研究生，研究方向：电路与系统。
作者：朱鹏伟
要说功率放大器的原理，我们还是先来看看功率放大器的组成：射频功率放大器(RF PA)是各种无线发射机的重要组成部分。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一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，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。 射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。
功率放大器原理
高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器;宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在 “低频电子线路” 课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180o;丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。
高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100%，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率)的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。
我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至 20000 Hz，高低频率之比达 1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高(由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz)，但相对频带很窄。例如，调幅广播电台(535-1605 kHz的频段范围)的频带宽度为 10 kHz，如中心频率取为 1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类(限于推挽电路)状态;高频功率放大器则一般都工作于丙类(某些特殊情况可工作于乙类)。
近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高;它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。
高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度(或信号失真度)等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。
为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态;采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。
以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化范围大得短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。
功率放大器原理图
功率放大器原理图一
功率放大器原理图二
功率放大器原理图三
高频电子技术论文
题 目：高频功率放大器的设计及调
指导老师：靳孝峰
班 级：应用电子4班
专 业：应用电子技术基础
学 院：机电工程学院
姓 名：周超勇
2013年10月21日
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摘 要:高频功率放大器是发射机的重要组成部分,因而也是通信系统必不可少的环节。介绍了高频功率放大器应用和基本原理,并利用电子设计工具软件 Multisi m2001对丙类功率放大器电路从方案选择、 单元电路设计、 元器件参数选取等方面进行具体设计分析 ,同时对电路进行仿真测试 ,通过仿真结果分析电路特性 ,使电路得到进一步完善。
关键词：高频功率放大器应用、功率放大器原理、高频功率放大器仿真设计 高频功率放大器是无线电发射机末端的重要部件 ,是评价通信系统性能的重要参数。近年来 ,针对功率放大器设计的各种研究不断涌现 ,对功率放大器的性能进行优化的算法不断出现。利用 Multisi m软件工具进行高频功率放大电路的设计 ,通过仿真结果对电路的特性进行分析 , 并逐步完善电路。 1.高频功率放大器应用
功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。 以其主要用途来说，功放可以分做两大类别，即专业功放与家用功放。在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅或其它公共场所扩声，以及录音监听等场所使用的功放，一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求，这类功放通常称为专业功放。而用于家庭的hi-fi音乐欣赏，av系统放音，以及卡拉ok娱乐的功放，通常我们称为家用功放。随着行动电话、WLAN(Wireless Local Area Network)、蓝芽(Bluetooth)的普及化，高频电子设备已经成为生活中的必需品，而电子设备使用的频率也从过去的1GHz逐渐朝5GHz甚至更高频方向发展。由于FET等主动电子组件与电容、电感等被动电子组件性能的提升，使得高频电路的特性获得大幅的改善。以往GHz的电路大多是由micro strip line等分布定数电路所构成，最近因为电子组件芯片化，因此高频电路以集中定数电路居多，不过即使高频电路已经进入集中定数电路时代，然而设计者却还未意识到配线长度、组件形状等分布定数性对高频电路的影响。此外电子组件芯片化之后若单靠是集中定数设计电路，势必会遭遇到设计上的极限，因此必需借助计算机仿真技术，针对pattern与组件的形状、配置(layout)等物理性尺寸进行精密的分析、设计，有鉴于此本文将探讨有关高频电路设计。
2.功率放大器原理
高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器;宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称
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为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在 “低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180o;丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100%，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率)的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至 20000 Hz，高低频率之比达 1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高(由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz)，但相对频带很窄。例如，调幅广播电台(535-1605 kHz的频段范围)的频带宽度为 10 kHz，如中心频率取为 1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类(限于推挽电路)状态;高频功率放大器则一般都工作于丙类(某些特殊情况可工作于乙类)。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高;它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。
高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度(或信号失真度)等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态;采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失
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真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化范围大得短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。 . 3.高频功率放大器仿真设计 .3.1 对功率放大器的要求
功率放大器是通过将直流输入功率转换化为交流功率输出 ,以提高发射信号能量 ,便于接收机接收的电路 ,因而要求输出功率大 ,效率高 ,同时 ,输出中的谐波分量应该尽量小 ,以免对其他频道产生干扰。根据电流导通角的不同 ,功率放大器分为甲类、 乙类、 丙类等 ,电路由馈电电路、 输入匹配、 输出匹配及级间耦合 4部分组成。对电路设计要求如下:工作频率为 14 . 5 MHz,要求带宽为 1 . 5MHz,输出功率为不小于 20W。 3.2 电路结构设计
设计分析为了在较宽的通带内使功率放大器增益相对稳定 ,电路由甲类、 丙类两级功率放大器组成。甲类功率放大器的输出信号作为丙类功率放大器的输入信号 ,丙类功率放大器作为发射机末级功率放大器以获得较大的输出功率和较高的效率。电路原理如图 1所示。根据设计要求和晶体管实际参数,采用 Phili p s公司的 NPN型高压晶体管 2N5551作为放大管 ,三极管Q
1、 电感 L
1、 电容 C2组成甲类功率放大器 ,工作在线性放大状态。三极管 Q2和由电感 L
3、 电容 C
7、 C6构成的负载回路组成丙类功率放大器。R
1、 R
2、 R
3、 R4组成第 1级静态偏置电阻 ,调节R
2、 R3可改变放大器的增益。L
1、 C2组成一级调谐回路 ,L
2、 R
5、 C4组成的部分在丙类功率放大器基极处产生负偏压馈电 , R7为射级反馈电阻 ,调整 R7可改变丙类功率放大器的增益。C
6、 C
7、 L3组成末级调谐回路 , C6用来微调谐振频率以获得最佳工作状态。C
8、 C9和 L4组成滤波回路 ,起到改善波形的作用。R9和 C
10、 R11和 C11以及 R8和 C12均为负载回路外接电阻。集电极可选择连接不同的负载。当基极输入的正弦信号频率取值在 L
1、 C2谐振频率附近时 ,集电极输出正弦信号电压增益最大。C5为射级旁路电容 ,有效地控制了可能由于射级电阻R
3、 R4过大而引起电压增益下降的问题。当甲类功率放大器输出信号大于丙类功率放大器三极管 Q2的be间负偏压时 , Q2才导通工作。 当L
3、 C7处谐振频率与从甲类功率放大器集电极获得的放大输出正弦信号的频率一致时 ,丙类功率放大器工作于谐振状态 ,集电极将获得最大的电压增益 ,达到功率放大的目的。
3 . 3 元件参数选取
a) 功率放大器管:选用 Phili p s公司的 NPN型高压晶体管 (2N5551)作为放大管。
b) 直流电源:根据设计要求放大器的电源电压初始值均取 + 12V。 c) 甲类功率放大器的调谐回路由 L1和 C2组成 , 根据谐振频率公式:f = 12π LC及工作中心频率为 14 . 5 MHz,取参数为 L1 = 1 . 0μH,C2 = 120 pF,丙类功率放大器的调谐回路由 L
3、 C
6、 C7组成 ,为使甲类功率放大器集电极的输出信号能在丙类功率放大器产生谐振 ,两功率放
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大器调谐回路的谐振频率应一致 ,因此 ,取 L3 = 1 . 0μH, C7 = 120 pF。C6(最大值取 30 pF)用来微调调谐回路的谐振频率 ,保证丙类功率放大器的输入信号产生谐振。
d) 甲类放大器参数选取
甲类功率放大器的静态偏置由 R
1、 R
4、 R2和 R3组成。R
1、 R2一般在同一数量级 ,取 R1 = 10 k Ω, R2最大值为 50 k Ω,通过调节 R2改变三极管基极 Q点电压 ,即改变放大器增益 , R2取值越大时 Q点电压越大。取 R4 = 51Ω, R3最大值为 1 k Ω,通过调节 R3 改变输出信号增益 , R3不宜过大 ,否则会影响增益。此外 , C5为射极旁路电容 ,有效地控制了由于射极电阻 R
3、 R4而引起电压增益下降的问题。在高频电路中射极旁路电容取值一般较小 ,这里取 C5 = 10 nF e) 丙类功率放大器参数选取丙类功率放大器三极管 Q2的 be间负偏压由 L
2、R
5、 C4组成的电路产生 , L2起到传送直流、 隔离交流的作用 ,使得 R5两端为直流电压。 取L2 = 1 0 0μH ,R5 = 51Ω, C4 = 10 nF。Q2射极电阻由 R
6、 R7组成 ,取 R6 = 51 Ω, R7 最大值为 1 k Ω,通过调节 R7改变丙类功率放大器增益 , R7取值不宜过大 ,否则会降低增益。L
4、 C
8、 C9组成滤波回路 ,减小集电极输出信号的失真。C
8、 C9一般取等值 ,这里取 C8 = C9 = 10 nF,L4 = 470μH。
f) 外接负载分别取 51Ω, 150Ω, 680Ω。3个电阻的取值差异较大是为了后面仿真测试丙类功率放大器的特性做准备。
g) C
1、 C3以及 C
10、 C
11、 C12均为隔直电容 ,其作用是传送交流 ,隔离直流。在高频电路中隔直电容取值一般较小 ,这里取 C1 = 51 pF, C3 = 10 nF, C10 =C11。=C12 =10nF。
3.4 仿真测试及结果分析
a) 甲类功率放大器的调谐测试
改变基极输入正弦信号的频率 ,当取 f = 1 / ( 2 π/RC)≈14 . 5MHz (L
1、
5
C2回路谐振频率 )时 ,集电极获得最大的电压增益 ,这时再改变静态偏置电阻 R
3、R4的大小可获得更大的电压增益[ 2 ]。测试可得 , R2取 2 . 5 k Ω、 R3 取 50Ω时获得最大电压增益约为 30倍。 b) 丙类功率放大器工作状态的测试分析
调整丙类功率放大器电源电压为 12 V,不接负载电阻。将基极与甲类功率放大器断开 ,从基极处输入2V ( P2 P)、 14 . 5 MHz的高频信号 ,用万用表测量三极管 Q2 be间的电压 ,测得该电压为负偏压 ,改变输入电压振幅 ,该偏压随之改变。此时 ,接在集电极处的示波器上可看到放大输出信号 ,如图 2所示。下面的波形(信道 B)为基极输入信号 ,上面的波形 (信道 A)为集电极输出信号 ,电压增益约为 12倍。若使基极激励信号 ,Ub = 0。则测得负偏压也为 0,由此可看出丙类功率放大器工作状态的特点。
c) 测试调谐特性
调整参数使电路正常工作 ,保持功率放大器管的输入信号为 2 V ( P2 P)左右 ,不接负载电阻 ,改变输入信号从 8MHz～20MHz，,输出电压值如表 1所示。
基极输入正弦信号频率取 f = 1 / ( 2π RC )≈14 . 5MHz(C
6、 C
7、 L3
6
回路谐振频率 )时集电极获得最大的电压增益 ,约为 12 . 5倍 ,这就说明了丙类功率放大器的调谐特性。
4.小结
利用电子设计工具软件 Multisi m2001设计了高频功率放大器 ,并对所设计的功率放大器性能进行了仿真实验 ,仿真结果表明所设计的放大器满足设计要求 ,性能良好。 参考文献：
[ 1 ]张肃文 , 陆兆熊. 高频电子线路 [M ]. 北京:高等教育出版社 , 1992 . [ 2 ] 陈松 , 金鸿. 电子设计自动化技术 Multisi m2001 & Protel99 se[M ]. 南京:东南大学出版社 , 2001 . [ 3 ]路勇. 电子电路实验及仿真 [M ]. 2版. 北京:清华大学出版社 , 2004 . 庄海军 (19742 ) ,男 ,讲师 ,工程师 ,主要研究方向为电子技术及其应用。 [4 ]曾兴雯,《高频电路原理与分析》(第三版)编 西安电子科技大学出版社 2001 通讯地址：焦作大学
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