射频功率放大器的基本概念,分类及电路组成部分（射频功率放大器的基本概念、分类及电路组成）

基本概念

射频功率放大器是传输系统的主要组成部分，其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中，调制振荡电路产生的射频信号功率很低，需要经过一系列放大(缓冲级、中间放大级和末级功率放大级)才能获得足够的射频功率，才能馈入天线并辐射出去。为了获得足够的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。在调制器产生RF信号之后，RF PA将RF调制信号放大到足够的功率，然后由天线通过匹配网络发射出去。

放大器的作用，即将输入的内容放大后输出。以及输入和输出的内容，我们称之为信号通常用电压或功率来表示。对于一个系统像放大器一样，它的投稿就是提高它吸收到了一定的水平输出它通向外面的世界。如果放大器能有好的性能，那么它就能贡献更多，这体现了它自身的价值。如果放大器出现了一些问题，那么在开始工作或工作一段时间后，它不仅不能提供任何投稿，但有些出乎意料冲击可能发生，对外界和放大器本身都是灾难性的。

射频功率放大器的主要技术指标是输出功率和效率。如何提高输出功率和效率是射频功率放大器设计的核心。通常，在射频功率放大器中，可以用LC谐振电路来选择基频或某些谐波，以实现无失真放大。此外，输出中的谐波分量应尽可能小，以避免干扰其他通道。

分类

根据不同的工作条件，功率放大器分为以下几类：

传统线性功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄。射频功率放大器一般采用选频网络作为负载环。射频功率放大器根据电流导通角可分为A (A)、B (B)和C (C)三种工作状态。甲类放大器电流导通角为360，适用于小信号、低功率放大。乙类放大器电流导通角等于180，丙类放大器电流导通角小于180。B类和C类都适合大功率工况，三种工况中C类工况输出功率和效率最高。大部分射频功率放大器工作在丙类，但是丙类放大器的电流波形失真太大，只能用来放大以调谐环为负载的谐振功率。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流和电压仍接近正弦波，失真很小。

SMPA(开关模式PA)使电子设备工作在开关状态。常见的有D类放大器和E类放大器。D类放大器的效率高于C类放大器。SMPA驱动有源晶体管进入开关模式，晶体管的工作状态不是导通就是截止。其电压和电流的时域波形不重叠，因此DC功耗为零，理想效率可达100%。

传统的线性功率放大器增益高、线性度高但效率低，而开关功率放大器效率高、输出功率大但线性度差。有关详细信息，请参见下表：

电路组成

有不同类型的放大器。简单来说，放大器的电路可以由以下几部分组成：晶体管、偏置和稳定电路、输入输出匹配电路。

1-1、晶体管

晶体管有很多种，包括目前已经发明的各种结构的晶体管。本质上，晶体管作为受控电流源或电压源工作，其工作机制是将无内容的DC的能量转化为有用输出。DC能量从外部获得，被晶体管消耗并转化为有用的成分。不同的晶体管有不同的能力，比如他们承受力量的能力，这也是由于他们获得DC能量的能力不同；比如它的反应速度不同，决定了它能工作在多宽多高的频段；比如它对输入输出端的阻抗不同，对外反应能力不同，决定了匹配的难度。

1-2、偏置电路和稳定电路

偏置和稳定电路是两种不同的电路，但它们可以放在一起讨论，因为它们往往很难区分，而且它们的设计目标相似。

晶体管的工作需要一定的偏置条件，称为静态工作点。这是晶体管及其自身的基础定位。每个晶体管对自己都有一定的定位，不同的定位会决定自己的工作模式，不同的定位有不同的性能表现。有些定位点波动小，适合小信号工作；有些定位点波动较大，适合大功率输出；有的定位点要求少，释放纯净，适合低噪音工作；在某些固定点，晶体管总是徘徊在饱和与截止之间，处于开关状态。合适的偏移点是正常工作的基础。设计宽带功率放大器时，或者工作频率较高时，偏置电路对电路性能影响很大。此时，偏置电路应被视为匹配电路的一部分。

有两种类型的偏置网络，无源网络和有源网络。无源网络(即自偏置网络)通常由电阻网络组成，为晶体管提供合适的工作电压和电流。它的主要缺点是对晶体管参数的变化非常敏感，温度稳定性差。有源偏置网络可以提高静态工作点的稳定性和良好的温度稳定性，但也存在电路尺寸增大、电路布局难度增加、功耗增加等问题。

稳定电路必须先于匹配电路，因为晶体管需要有稳定电路作为自身的一部分，然后与外界接触。在外界看来，带稳压电路的晶体管是一个全新的晶体管。它制造了一些牺牲获得了稳定。电路的稳定机制可以保证晶体管的平稳运行。

1-3、输入输出匹配电路

匹配电路的目的是选择一种可接受的方式。对于那些想要提供更大增益的晶体管来说，办法就是接受并输出整个晶体管。这意味着通过匹配电路的接口，不同晶体管之间的通信更加顺畅。对于不同类型的放大器，匹配电路不仅仅是一种一次受理。一些直流小、基础浅的小管更愿意去堵，以获得更好的噪声性能。但也不要把他们挡得太多，否则他们的贡献会受到影响。对于一些巨型功率管，输出时需要谨慎，因为更不稳定。同时，一定的保留有助于他们发挥更大的不失真能量。

典型的阻抗匹配网络包括L匹配、匹配和T匹配。L-匹配的特点是结构简单，只有L和C两个自由度.一旦阻抗变换比和谐振频率确定，网络的Q值(带宽)也就确定了。形匹配网络的一个优点是，无论什么寄生电容连接到它上面，它都可以被吸入网络，这也导致了形匹配网络的广泛应用，因为在许多实际情况下，占主导地位的寄生元件是电容。T形匹配，当电源和负载的寄生参数以感性为主时，可以用T形匹配将这些寄生参数吸收到网络中。

保证射频功率放大器稳定性的实现

每个晶体管都有潜在的不稳定性。一个好的稳定电路可以和晶体管集成在一起，形成一个可持续工作模式。稳定电路的实现可以分为窄带和宽带两种。

窄带稳定电路用于一定的增益消耗。这个稳定电路是通过增加一些消耗电路和选择电路来实现的。这个电路只允许晶体管在很小的频率范围内起作用。另一种宽带稳定性是引入负反馈。这种电路可以在很宽的范围内工作。

不稳定的根源是正反馈，窄带稳定化的思路是抑制一些正反馈，当然也抑制了贡献。但是，如果负反馈做得好，还会有很多额外的可喜的优点。比如负反馈可能会阻止晶体管匹配，让它们不匹配也能很好的和外界交流。此外，负反馈的引入将改善晶体管的线性性能。

PA效率提升技术

晶体管的效率有一个理论极限。该限值随偏移点(静态工作点)的选择而变化。此外，糟糕的外围电路设计也会大大降低其效率。目前，工程师不I don’我没有很多提高效率的方法。这里只有两种：包络跟踪技术和多赫蒂技术。

包络跟踪技术的本质是将输入分离为相位和包络两种类型，然后通过不同的放大电路进行放大。这样，两个放大器可以专注于各自的部分，它们之间的合作可以达到更高的效率利用的目的。

多赫蒂技术的本质是：使用两个同类的晶体管，只有一个在小输入下工作，而且工作效率高。如果输入增加，两个晶体管同时工作。这种方法的实现是基于两个晶体管的默契配合。一个晶体管的工作状态将直接决定另一个晶体管的工作效率。

PA面临的测试挑战

功率放大器是无线通信系统中非常重要的部件，但它们是非线性的，会导致频谱扩散和干扰相邻信道，并可能违反法律法规规定的带外辐射标准。这种特性甚至会造成带内失真，增加通信系统的误码率(BER)，降低数据传输速率。

在峰均功率比(PAPR)下，新的OFDM传输格式会有更多的偶发峰值功率，这使得PA难以被划分。这将降低频谱屏蔽顺应性，并扩展整个波形的EVM，增加BER。为了解决这个问题，设计工程师通常会故意降低PA的工作功率。不幸的是，这是一种非常低效的方法，因为PA将通过减少其10%的工作功率来损失其90%的DC功率。

现在大部分射频PA都支持多种模式、频段和调制方式，这就使得测试项目更多了。成千上万的测试项目并不少见。新技术的应用，如峰值降低(CFR)、数字预失真(DPD)和包络跟踪(ET)，将有助于优化PA效率和电源效率，但这些技术只会使测试更加复杂，并大大延长设计和测试时间。增加RF PA的带宽将使DPD测量所需的带宽增加5倍(可能超过1 GHz)，这将进一步增加测试的复杂性。

根据趋势，为了提高效率，RF PA组件和前端模块(FEM)将更加紧密地集成，而单个FEM将支持更广泛的频带和调制模式。将包络跟踪电源或调制器集成到FEM中可以有效地减少移动设备内部的整体空间需求。为了支持更宽的工作频率范围而增加滤波器/双工器插槽的数量将增加移动设备的复杂性和测试项目的数量。

半导体材料的变化：

Ge(锗)、Si(硅) GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟) SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、SiGe(硅锗)、SOI(绝缘层上硅)碳纳米管(CNTs) 石墨烯。

目前，功率放大器的主流技术仍然是GaAs技术。此外，GaAs HBT，GaAs异质结双极晶体管。HBT(异质结双极晶体管)是由GaAs层和AlGaAs层组成的双极晶体管。

虽然CMOS技术已经成熟，但是Si CMOS功率放大器的应用并不广泛。成本方面，虽然CMOS工艺的硅片比较便宜，但是CMOS功放的版图面积比较大，CMOS PA的研发成本比较高，使得CMOS功放的整体成本优势不是那么明显。从性能上来说，CMOS功率放大器的性能在线性度、输出功率和效率上较差，再加上CMOS工艺固有的缺点：膝压高、击穿电压低、CMOS工艺衬底电阻率低。

碳纳米管(CNTs)被认为是纳米电子器件的理想材料，因为它们具有小的物理尺寸、高的电子迁移率、高的电流密度和低的固有电容。

石墨烯是一种零带隙的半导体材料，由于其高的电子迁移率、纳米的物理尺寸、优异的电学和力学性能，必将成为下一代射频芯片的热门材料。

功放线性化技术

射频功率放大器的非线性失真会产生新的频率成分，如二次谐波和双音拍频为二阶失真，三次谐波和多音拍频为三阶失真。如果这些新的频率分量落在通带内，它们将直接干扰传输的信号，如果落在通带外，它们将干扰其他通道的信号。因此，有必要对射频功率放大器进行线性化，这样可以解决信号频谱再生的问题。

射频功率放大器基本线性化技术的原理和方法，无非是以输入射频信号包络的幅度和相位为参考，与输出信号进行比较，然后产生适当的校正。目前，已经提出并广泛应用的功率放大器线性化技术包括功率补偿、负反馈、前馈、预失真、包络消除和恢复(EER)以及使用非线性元件的线性放大(LINC)。前馈、预失真、包络消除和恢复等复杂线性化技术使用非线性元件进行线性放大，可以提高放大器的线性度。然而，简单的线性化技术，如功率回退和负反馈，对线性度的改善有限。

2-1、电源回退

这是最常用的方法，即大功率管作为小功率管，实际上是牺牲了DC功耗来提高功放的线性度。

功率回退法是将功率放大器的输入功率从1dB压缩(放大器具有线性动态范围，其中放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率继续增加，放大器逐渐进入饱和区，功率增益开始下降。通常，当增益降低到比线性增益低1dB时的输出功率值被定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。)后移6-10 dB，工作在远小于1dB压缩点的电平，使功放远离饱和区，进入线性工作区，从而提高功放的三阶互调系数。一般来说，基波功率降低1dB，三阶互调失真提高2dB。

功率回退方法简单易行，不需要任何附加设备。它是提高放大器线性度的有效方法，但其缺点是效率大大降低。另外，当功率回落到一定程度，三阶互调达到-50dBc以下时，功率回落也不会提高放大器的线性度。因此，当线性度非常高时，仅仅依靠功率回退是不够的。

2-2、预失真

预失真是在功放前增加一个非线性电路，补偿功放的非线性失真。

预失真线性化技术具有不存在稳定性问题、信号带宽更宽、能够处理多载波信号等优点。预失真技术成本低。几个精心选择的元件被封装到单个模块中，该模块连接在信号源和功率放大器之间，以形成预失真线性功率放大器。手持移动台的功率放大器采用了预失真技术，用很少的元件就能把互调分量降低几个分贝，但这是一个关键的问题

预失真技术分为两种基本类型：射频预失真和数字基带预失真。射频预失真一般采用模拟电路实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频和宽带应用等优点。然而，因为频谱再生分量的改善较少，所以很难消除高阶频谱分量。

数字基带预失真由于工作频率低，可以用数字电路实现，适应性强。而且可以通过提高采样频率和量化阶数来抵消高阶互调失真，是一种很有前途的方法。这个预失真器由一个矢量增益调节器组成，它根据查找表(LUT)的内容控制输入信号的幅度和相位，预失真的幅度由LUT的输入控制。一旦矢量增益调节器被优化，它将提供与功率放大器相反的非线性特性。理想情况下，此时输出的互调产物应该与功率放大器输出的双音信号幅度相等，相位相反，即自适应调整模块是调整查找表的输入，使功率放大器的输入信号与输出信号的差值最小。注意，输入信号的包络也是查找表的输入。反馈通路对功放的失真输出进行采样，然后通过A/D转换送到自适应调整DSP，更新查找表。

2-3、前馈

前馈技术起源于反馈应该说并不是什么新技术。早在20世纪二三十年代就由贝尔实验室提出。除了输出中加入了校准(反馈)之外，它完全反馈在概念上。

前馈线性放大器由通过耦合器、衰减器、合成器、延迟线和功率分配器的两个环路组成。射频信号输入后，由功分器分成两路。当第一路进入主功放时，由于其非线性失真，输出端除了需要放大的主频信号外，还有三阶互调干扰。一部分信号从主功率放大器的输出端耦合，放大器的主载频信号通过环路1被抵消，从而只剩下相位相反的三阶互调分量。在三阶互调分量被辅助放大器放大之后，由主放大器的非线性产生的互调分量被环路2抵消，从而提高了功率放大器的线性度。

前馈技术不仅提供了更高精度的优点，而且具有不稳定性和带宽限制的缺点。当然，这些优势是以高成本获得的。因为输出校准具有高功率电平，并且校准信号需要被放大到更高的功率电平，所以需要额外的辅助放大器，并且该辅助放大器的失真特性应该高于前馈系统的指标。

前馈功放的对消要求很高，需要匹配幅度、相位和延时。如果有电源变化、温度变化和设备老化，取消将失败。因此，系统中考虑了自适应抵消技术，使抵消能够跟上内外部环境的变化。

原标题：五星好文学RF PA概述

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审计唐子红