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微波功率放大器设计 －基础

微波功率放大器设计 －基础. Mao Wenjie. 基本内容. 微波功率放大器的分类 微波功率放大器的非线性 微波功率放大器设计示例 EDGE 标准功率放大器设计 微波功率放大器线性化设计技术 器件级线性化设计技术 电路级线性化设计技术 线性化设计技术总结. 微波功率放大器 的分类. A 类功率放大器. A 类是所有功放结构中线性最好的。 效率较低、增益较大。 最大输出功率： 功率效率：. B 类和 AB 类功率放大器. 无论有无信号， A 类功放都保持导通， B 类功放只是有信号时才工作，提高了效率。 功率增益比 A 类功放低。

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微波功率放大器设计 －基础

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Presentation Transcript

  1. 微波功率放大器设计－基础 Mao Wenjie

  2. 基本内容 • 微波功率放大器的分类 • 微波功率放大器的非线性 • 微波功率放大器设计示例 • EDGE 标准功率放大器设计 • 微波功率放大器线性化设计技术 • 器件级线性化设计技术 • 电路级线性化设计技术 • 线性化设计技术总结

  3. 微波功率放大器的分类

  4. A类功率放大器 • A类是所有功放结构中线性最好的。 • 效率较低、增益较大。 • 最大输出功率： • 功率效率：

  5. B类和AB类功率放大器 • 无论有无信号，A类功放都保持导通，B类功放只是有信号时才工作，提高了效率。 • 功率增益比A类功放低。 • 匹配网络需要滤除谐波成份，但推挽式结构可免去这些麻烦。 推挽式B类功率放大器

  6. B类放大器的输出功率及效率 • 输出功率同A类放大器相同 • 通过降低直流功耗提高了效率

  7. C类功率放大器 • 通过改变晶体管的导通角实现C类放大 • 输出功率和增益比A类放大器小的多 • 匹配网络设计复杂，很少应用。

  8. A、B、AB和C类功率放大器总结 • 晶体管都以压控电流源方式工作，不同之处在于直流工作点偏置。 • 导通角、最高效率和输出功率

  9. D类功率放大器 • 理论上可以达到100％功率 • 由于寄生参数大增益低导致应用很少。

  10. E类功率放大器 • 效率可达100%，效率与导通角无关。 • 极电极电压严重不对称，峰值电压较高。 • Q值及开关电阻会影响效率。

  11. F类功率放大器 • 谐振回路L3C3增加了3次谐波阻抗，从而使电压波形“变方”。

  12. 微波功率放大器的非线性

  13. 功率放大器是放大器中的一个“异类” 大信号工作 效率和线性都：两个最基本的矛盾 功率放大器的非线性： 谐波失真 增益压缩 交调失真 频谱扩展 AM/AM和AM/PM转换 三拍失真 功率放大器的非线性

  14. 谐波失真 • 谐波失真 • 当信号增加到一定程度，功率放大器因工作在非线性而产生一系列谐波。 • 窄带功放，可用滤波器滤除。

  15. 增益压缩 • 饱和输出功率： • 输入功率达到某一值时，再加大不会改变输出功率的大小。

  16. 1 dB压缩点输出功率 • 功率放大器增益压缩1 dB所对应的输出功率，记作P1dB。

  17. 交调失真 • 交调失真是有不同频率的两个或更多的输入信号经过功放而产生的混合分量。 • 若输入 个不同频率的信号，输出分量为: • 交调系数： • 单位是 dBc，交调分量比载频分量的分贝数。

  18. 三阶交调失真 • 三阶交调分量 ： • 三阶交调系数 • 不可能把它从信道中滤除。

  19. 三阶交调交截点IP3 • 基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性延长线的交点称为IP3，与其对应的输入信号的幅值IIP3。

  20. 线性度：IIP3 • 1 dB压缩点和IIP3之间的关系： • 当系统由一组电路单元组成时，总的IIP3可用下式计算：

  21. 二阶交调 • 二阶交调系数 ： • 二阶交调 失真比二次谐波失真严重，也比三阶交调严重。 • 窄带功放：可以用滤波器滤除，不需考虑。 • 宽带功放：必须考虑 • 可以用平衡电路减少这种失真 • 二阶交调交截点： • 类似于三阶交调交截点的定义

  22. 频谱扩展（再生） • ACPR：Adjacent Channel Power Ratio

  23. AM/AM转换和AM/PM转换 • AM/AM：对输入信号的幅度调制效应 • AM/PM：对输入信号的相位调制效应

  24. 三拍失真 • 三拍失真定义： • 具有三个不同频率 的信号同时输入放大器时，其中 和 非常接近，而 离开 和 比较远，这时功率放大器输出端出现 的失真分量。 • 三拍失真系数 • 注意与三阶失真的区别

  25. 功率效率、功率附加效率 • 功率效率： • 表示功率放大器把直流功率转换成射频功率的能力。 • 没有考虑晶体管的放大能力。 • 功率附加效率：

  26. 微波功率放大器设计示例

  27. EDGE 标准功率放大器设计 • 功率放大器设计的主要目的是得到晶体管的最大功率。 • 负载线分析法 • 负载牵引法 • 大信号参数分析法 • EDGE：一种提高数据速率的新技术，是“全球通”向第三代移动通信系统（IMT-2000）过渡的台阶。

  28. EDGE 标准功率放大器指标 • 设计主要满足上面斜体表示的指标，包括功率、增益和一些非线性指标。

  29. 整个功率放大器结构 • 放大器所需的级数由增益指标决定 • 最后一级放大器满足功率指标 • MGF2430A可以得到＋29 dBm的功率和＋10 dB的增益 • ATF21170可以得到＋13 dB的增益

  30. 驱动放大级设计 • 小信号设计技术，以得到最大增益为目标。 • 稳定性考虑，R1是稳定电阻

  31. 仿真结果

  32. 驱动级输入匹配电路设计

  33. 输入匹配电路性能

  34. 驱动级输出匹配电路设计

  35. 整个驱动级放大电路性能

  36. 功率放大级设计 • 设计目标是得到最大输出功率 • 功率器件的输出阻抗是输出功率的函数，存在一个理想输出阻抗可以得到最大的输出功率。 • 输出匹配电路的目的是把50 Ohm匹配到该理想输出阻抗。 • 这里采用两种技术来设计输出匹配电路 • Load－pull method 负载牵引法 • Load－line analysis method 负载线分析法 • 有时需要在输出功率和增益之间进行选择

  37. 最大功率输出设计方法

  38. 负载线分析方法

  39. 计算负载线

  40. 计算负载线电阻

  41. 负载线分析方法仿真

  42. 仿真结果

  43. 输出匹配电路设计

  44. 负载牵引法

  45. 负载牵引仿真

  46. 仿真结果

  47. 功率放大级整体仿真

  48. 功率放大器整体仿真

  49. 功率放大器整体仿真结果

  50. 微波功率放大器线性化设计技术

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