射頻功率放大器簡介

射頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分。射頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率。除此之外，輸出中的諧波分量還應(yīng)該盡可能地小，以避免對其他頻道產(chǎn)生干擾。

射頻功率放大器是對輸出功率、激勵電平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等問題作綜合考慮的電子電路。在發(fā)射系統(tǒng)中，射頻功率放大器輸出功率的范圍可以小至mW，大至數(shù)kW，但是這是指末級功率放大器的輸出功率。為了實現(xiàn)大功率輸出，末前級就必須要有足夠高的激勵功率電平。

射頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率，是研究射頻功率放大器的關(guān)鍵。而對功率晶體管的要求，主要是考慮擊穿電壓、最大集電極電流和最大管耗等參數(shù)。為了實現(xiàn)有效的能量傳輸，天線和放大器之間需要采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) 。

射頻功率放大器分類

射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。射頻功率放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，分為甲(A)、乙(B)、丙(C)三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的導(dǎo)通角為360°，適用于小信號低功率放大，乙類放大器電流的導(dǎo)通角等于180°，丙類放大器電流的導(dǎo)通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

除了以上幾種按照電流導(dǎo)通角分類的工作狀態(tài)外，還有使電子器件工作于開關(guān)狀態(tài)的丁(D)類放大器和戊(E)類放大器，丁類放大器的效率高于丙類放大器。

射頻功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)

傳輸增益

功率放大器的傳輸增益是指放大器輸出功率和輸入功率的比值，單位常用“dB”(分貝)來表示。功率放大器的輸出增益隨輸入信號頻率的變化而提升或衰減。這項指標(biāo)是考核功率放大器品質(zhì)優(yōu)劣的最為重要的一項依據(jù)。該分貝值越小，說明功率放大器的頻率響應(yīng)曲線越平坦，失真越小，信號的還原度和再現(xiàn)能力越強。

輸出功率

功率放大器的功率指標(biāo)嚴(yán)格來講又有標(biāo)稱輸出功率和最大瞬間輸出功率之分。前者就是額定輸出功率，它可以解釋為諧波失真在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)變化、能長時間安全工作時輸出功率的最大值;后者是指功率放大器的“峰值”輸出功率，它解釋為功率放大器接受電信號輸入時，在保證信號不受損壞的前提下瞬間所能承受的輸出功率最大值。

在發(fā)射系統(tǒng)中，射頻末級功率放大器輸出功率的范圍可小到毫瓦級(便攜式移動通信設(shè)備)、大至數(shù)千瓦級(發(fā)射廣播電臺)。為了要實現(xiàn)大功率輸出，末級功率放大器的前級放大器單路必須要有足夠高的激勵功率電平。顯然大功率發(fā)射系統(tǒng)中，往往由二到三級甚至由四級以上功率放大器組成射頻功率放大器，而各級的工作狀態(tài)也往往不同[1] 。

根據(jù)對工作頻率、輸出功率、用途等的不同要求，可以用晶體管、FET、射頻功率集成電路或電子管作為射頻功率放大器[1] 。

在射頻功率方面，目前無論是在輸出功率或在最高工作頻率方面，電子管仍然占優(yōu)勢。現(xiàn)在已有單管輸出功率達(dá)2000kW的巨型電子管，千瓦級以上的發(fā)射機大多數(shù)還是采用電子管。

當(dāng)然，晶體管、FET也在射頻大功率方面不斷取得新的突破。例如，目前單管的功率輸出已超過100W，若采用功率合成技術(shù)，輸出功率可以達(dá)到3000W。

效率

效率是射頻功率放大器極為重要的指標(biāo)，特別是對于移動通信設(shè)備。定義功率放大器的效率，通常采用集電極效率?c和功率增加效率PAE兩種方法 。

線性

1.衡量射頻功率放大器線性度的指標(biāo)有三階互調(diào)截點(IP3)、1dB壓縮點、諧波、鄰道功率比等。鄰道功率比衡量由放大器的非線性引起的頻譜再生對鄰道的干擾程度[1] 。

2.由于非線性放大器的效率高于現(xiàn)行放大器的效率，射頻功率放大器通常采用非線性放大器。但是分線性放大器在放大輸入信號的放大的同時會產(chǎn)生一系列的有害影響。

3.從頻譜的角度看，由于非線性的作用，輸出信號中會產(chǎn)生新的頻率分量，如三階互調(diào)分量、五階互調(diào)分量等，它干擾了有用信號并使被放大的信號頻譜發(fā)生變化，即頻帶展寬了[1] 。

4.從時域的角度，對于波形為非恒定包絡(luò)的已調(diào)信號，由于非線性放大器的增益與信號幅度有關(guān)，因此使輸出信號的包絡(luò)發(fā)生了變化，引起了波形失真，同時頻譜也發(fā)生了變化并引起了頻譜再生現(xiàn)象。對于包含非線性電抗元件(如晶體管的極間電容)的非線性放大器，還存在使幅度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔蛔兓挠绊?，干擾了已調(diào)波的相位[1] 。

5.非線性放大器的所有這些影響對移動通信設(shè)備來說都是至關(guān)重要的。因為，為了有效地利用頻率資源和避免對鄰道的干擾，一般都將基帶信號通過相應(yīng)濾波器形成特定波形，以限制它的頻帶寬度，從而限制調(diào)制后的頻帶信號的頻譜寬度。但這樣產(chǎn)生的已調(diào)信號的包絡(luò)往往是非恒定的，因此非線性放大器的頻譜再生作用使發(fā)射機的這些性能指標(biāo)變差[1] 。

6.非線性放大器對發(fā)射信號的影響，與調(diào)制方式密切相關(guān)。不同的調(diào)制方式，所得到的時域波形是不同的，如用于歐洲移動通信的GSM制式，該制式采用了高斯濾波的最小偏移鍵控(GMSK)，是一種相位平滑變化的恒定包絡(luò)的調(diào)制方式，因此可以用非線性放大器來放大，不存在包絡(luò)失真問題，也不會因為頻譜再生而干擾鄰近信道[1] 。

7.但對于北美的數(shù)字蜂窩(NADC)標(biāo)準(zhǔn)，采用的是偏移差分正交移相鍵控調(diào)制方式，已調(diào)波為非恒定包絡(luò)，它就必須用線性放大器放大，以防止頻譜再生[1] 。

雜散輸出與噪聲

對于通過天線雙工器公用一副天線的接收機和發(fā)射機，如果接收機和發(fā)射機采用不同的工作頻帶，發(fā)射機功率放大器產(chǎn)生頻帶外的雜散輸出或噪聲若位于接收機頻帶內(nèi)，就會由于天線雙工器的隔離性能不好而被耦合到接收機前端的低噪聲放大器輸入端，形成干擾，或者也會對其他相鄰信道形成干擾。

因此必須限制功率放大器的帶外寄生輸出，而且要求發(fā)射機的熱噪聲的功率譜密度在相應(yīng)的接收頻帶出要小于-130dBm/Hz，這樣對接收機的影響基本上可以忽略