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1、射频及微波固态功率放大器,电子科技大学成都赛英科技有限公司 张玉兴教授（博导）,内容,绪论射频及微波固态功率放大器发展动态,Several 1G Analog Wireless Systems,Several 2G Digital Wireless Systems,用于移动通信的功率放大器,数字移动通信对非线性分析的影响,非恒包络信号对非线性敏感,NADC(/4-QPSK)、CDMA(QPSK、OQPSK),高功率附加效率非线性状态较强,低邻信道干扰要求线性好,挑战,解决高功率附加效率与低邻信道干扰的矛盾,如何在线性度和效率之间做到较好的兼顾？,高功放的发展现状,功率回退：传统的功率放大器一般
2、采用回退技术来实现不同功放要求，是目前主要采用的技术。,基本原理:输入功率减小1dB时，三阶交调系数改善 2dB，通过减小输入功率的方法改善功率 放大器的线性。优缺点:简单、易实现 降低效率、增大成本 小功率、适用于线性要求不很高的系统,负反馈法,优缺点:简单、易实现 频带较窄、稳定性较差 适用于线性要求不高的系统,前馈技术：采用前馈技术优点是能大大改善功放的线性度，缺点是成本较高、难度大、功放的效率会比较低，这种技术近几年在国内外已经得到了广泛的应用。,预失真技术预失真又分这模拟预失真（APD）和数字预失真（DPD）1、模拟预失真是指在功放输入前加入一个预失真器，这种预失真器产生的非线性与功
3、放产生的非线性相们相反，从而可以实验非线性的矫正，模拟预失真又分为射频预失真和中频预失真。这种技术优点是实现简单、技术难度小、成本低；缺点是线性度改善不高。,2、基带数字预失真技术基带数字预失真技术是近几年发展起来的一种新型技术，是线性功放发展的主流。这项技术目前还不是很成熟、是未来线性功放发展的方向。其优点是线性度高、效率高；缺点是电路复杂、实现难度较大。原理是将功放输入的信号取样，下变频到中频、经数字中频处理后、提取基带数字信号的辐度和相位信息，再将输出的非线性的信号同样变频到基带，并提取相应的信息，两者相比较，再通过相位和辐度调整电路将输入信号进行动态地矫正。,基带数字预失真的硬件原理,
4、极性环,笛卡儿环,新一代基站功放和传统功放的技术比较,第二章 射频及微波功率放大器设计,2.1 二端口网络理论及S参数,2.1.1 传统的网络参数,阻抗参数,导纳参数,混合参数,传输参数,散射参数,入射波ai，入射波bi,端口2处接有匹配负载时，在端口1处的反射系数,端口1处接有匹配负载时，在端口2处的反射系数,端口1处接有匹配负载时，端口2到端口1的传输系数,端口2处接有匹配负载时，端口1到端口2的传输系数,二端口参数的相互转换,2.1.4 传输线(Transmission Lines),分布(distributed)参数系统与集总(lumped)参数系统 任何电路、元器件、连接线本质上都是
5、分布系统，在某些条件下它们的分布特性可以被忽略，正如在某些条件下微积分可以简化为四则运算。对于一条长度为l 的低损耗连接线和波长为的信号，当l 0.1，我们认为它是一个分布系统传输线。分布 vs.寄生(parasitic)准静态(Quasi-Static)与非准静态(NQS)QS：电路理论适用，NQS：电磁场理论适用,IC Design 需要传输线知识吗 空气中1GHz信号的波长为30cm，芯片的尺寸以mm计，因此在这个频段附近(lower GHz)的RFIC 内部通常还不需要考虑传输线效应 当频率高到一定程度，电路中存在较长的连线，或者需要精确分析电路的工作情况，即使是IC 设计也不得不使用
6、传输线理论 IC与外界连接时(不论是测试还是实际应用)都将用到传输线 传输线现象是典型的高频现象，传输线理论是理解高频电路、信号和系统的基础和重点 抽象的传输线 一根信号线和地(线或面)就组成了传输线 电磁波将沿信号线传输并被限制在信号线和地之间,传输线阻抗变换,2.2 准线性网络设计方法,为简化功率放大器设计过程，在一些情况下，使用基波电流和电压之比和非线性元件用等效平均基波线性元件代替，可用准线性方法分析。依据信号电压的等效平均线性元件的推导是基于静态伏-安和电压-电容有源器件特性。,2.3负载牵引法,直接方法，也是一种借助实验手段的方法 确定功率放大器的增益、输出功率、非线性特性与负载的
7、 关系 确定振荡器的频率牵引特性、振荡稳定区与负载的关系 在设计功率放大器时，用测量系统测出功率放大器在不同 负载情况下的增益、输出功率、三阶交调失真及二次谐波，用这些数据在阻抗园图上画出负载阻抗的轨迹，从中选出 合适的参数作为设计依据 优点：测试结果能使设计人员一目了然，便于设计 采用计算机自动测试系统，测试结果可靠 缺点：被测放大器的功率越大要求信号源功率也越大 无法测量激励频率的谐波阻抗，很难估计谐波影响。,第3章 功率放大器的线性化技术,一、分布参数,分布电容存在于二个导体之间、导体与元器件之间、导体与地之间或者元件之间。,引线电感，顾名思义是一种元件间连接导线的电感，有时，也称之为内
8、部构成电感。,分布参数的影响在直流和低频时是不严重的。但是，随着频率的增加，影响越来越大。,3.1非线性电路基本概念与定义,二、RF频段是一种相对概念集中参数频段可用“路”的概念来分析分布参数则用“场”的概念来分析。RF频段与电路尺寸有关，电路尺寸只要小于八分之一导波波长(g)，就可用路的概念来分析电路。RF电路既可用路的概念分析问题，又可用分布参数概念长线理论来分析，或者说，用“路”分析时，还要考虑分布参数的影响。,三、趋肤效应,趋肤效应：ac电流流经导体时趋向于导体外边部分，而dc电流流经整个导体。随着频率的升高，趋肤效应形成了一个较小的导流带，结果，形成了大于dc电阻的ac电阻。,趋肤深
9、度示意图,趋肤深度：电流密度降到表面电流密度1/e=1/2.718=0.368处的临界深度。,趋肤效应引起的最明显的影响就是引起信号传输途径中的损耗增加。,四、寄生耦合,RF电路中信号很容易从电路内向外部和在电路内部之间辐射。这样，造成了电路内部元件之间、电路与他的环境之间、他的环境与电路之间的互相耦合。这种耦合又称之为寄生耦合，电路元件之间的耦合造成了RF电路中的寄生反馈，引起电路的不稳定及性能下降。,地线上电位差引起的寄生反馈,克服RF电路中寄生反馈的有效手段之一是屏蔽。所谓屏蔽就是把易引起电磁辐射的元器件用金属盒封蔽起来或者隔离开来，切断(或削弱)他们的电磁耦合途经，金属外壳要妥然接地。
10、,屏蔽盒及接地,五、公用电源的去耦合问题,RF电路中电源的去耦合,六、无源元件(Passive Components),非线性电路大量使用无源元件，它们用于：阻抗匹配或转换 抵消寄生元件的影响(扩展带宽)提高选择性(调谐、滤波、谐振)移相网络、负载等等,RF电路中的电阻,电阻的等效电路描述,电阻R的绝对值阻抗随频率的变化,RF电路中的电感,高频电感线圈的等效电路,空心线圈的频率响应,RF电路中的电容,高频电容电等效电路,引线电容的频率响应,简单串、并联谐振回路与双调谐耦合谐振回路,LC谐振回路的电路结构,谐振回路特性,谐振回路特性,注：式中,为广义失谐,品质因数的物理意义,品质因数实际上描绘的
11、是系统储能与耗能之间的关系。,七、Smith Chart 反射系数平面上的阻抗和导纳,反射系数平面(平面)反射系数 可以用一个平面直角坐标中的点(X,Y)来表示，X和Y 分别是它的实部和虚部，即G=X+jY，这是一一对应的关系。还和阻抗存在一一对应的关系因此阻抗也和平面上的点存在一一对应的关系 将反射系数表达式中的阻抗对传输线的特征阻抗Z0 进行归一化：z=Z/Z0=r+jx，进一步得到,Smith Chart 的应用 读取阻抗、导纳、反射系数、驻波比等 LC和传输线匹配网络设计 微波、射频放大器设计 噪声系数 增益 稳定系数 微波、射频振荡器设计 小结 史密斯圆图是反射系数平面上的阻抗和导纳
12、坐标系 平面直角坐标(反射系数)和圆坐标(阻抗和导纳)的结合使LC和传输线电路的计算变得非常直观，在高频放大器设计中有广泛的应用,八、阻抗变换及匹配：概述,为什么要匹配 在传输中获得最大的功率或效率 保证系统具有正确传输特性(例如LC滤波器需要匹配负载)提高信噪比(降低噪声系数)减少由于反射引起的信号失真 确保电路稳定 为各模块之间提供方便、可靠的连接 为什么低频信号不需要匹配(想想弹簧的情况)从波长与器件/传输线尺寸的关系看，信号在传输过程中的相位与幅度近似不变 从周期与传输时间上看，虽然反射仍然存在，但是在信号的有效周期内将会衰减到可以忽略(极限情况：DC),为什么逻辑电路通常不需要匹配
13、这是一个能量(或功率、信噪比)与状态的区分问题，与高频模拟电路不同，逻辑电路中所传递的是电平的高低状态 两种不同的匹配概念 对传输线阻抗的匹配：ZL=Z0 对信号源阻抗的匹配：ZL=Zs*匹配网络设计的一些考虑 工作频率 带宽或Q值 实现方式和结构 阻抗匹配/变换网络的基本形式 LC阻抗变换技术 传输线匹配技术 变压器,LC 阻抗变换网络,传输线阻抗变换,3.2 放大器中的非线性现象,Gain and Phase depends on Input Signal 3rd Order Gain-Nonlinearities:,Higher Output Level(close to Saturat
14、ion)results in more Distortion/Nonlinearity,Nonlinearity leads to?Generation of Harmonics Intermodulation Distortion/Spectral Regrowth SNR(NPR)Degradation Constellation Deformation,Intermodulation and Harmonics,Spectral Regrowth,Energy in adjacent Channels ACPR(Adjacent Channel Leakage Power Ratio)i
15、ncreases,Reduced NPR(Noise Power Ratio),Input Signal,Output Signal ofNonlinear Amplifier,Degradation of Inband SNR Noisy Constellation,Constellation Deformation,Input Signal,Output Signal ofNonlinear Amplifier(with Gain-and Phase-Distortion),AM/AM-and AM/PM-Conversion,GaAs-PA,AM/AM-and AM/PM-Convers
16、ion,LDMOS-PA,3.3功率放大器中的线性化技术,Direct(RF)Feedback直接反馈技术,负反馈线性化技术,Distortion Feedback间接反馈技术,Classical Method Decrease of Gain Low Efficiency Feedback needs more Bandwidth than Signal Stability Problems at high Bandwidths,Direct(RF)Feedback,单级1W功率放大器相频特性,Distortion Feedback,Feedback of outband Products
17、only Higher Gain than RF feedback Stability Problems due to Reverse Loop,预失真技术（Predistortion）,预失真的IM3与AM，PN失真的关系,数字预失真（Digital Predistortion）,Digital Implementation of Cartesian Feedback Additional ADCs,DSP Power,Oversampling needed Loop can be opened no Stability Problems,模拟预失真（Analog Predistortion
18、）,Predistorter has inverse Function of Amplifier Leads to infinite Bandwidth(!)Hard to realize(accuracy),Analog Predistortion,Possible Realizations:,前馈技术（Feedforward）,Overcomes Stability Problem by forward-only Loops Critical to Gain/Phase-Imbalances0.5dB Gain Error-31dB Cancellation2.5 Phase Error-
19、27dB Cancellation Well suited for narrowband application,第4章射频及微波固态功率放大器中的新颖技术,双途径功率放大器,开关模式功率放大器,Kahn包络分离与恢复技术,异相功率放大器,Doherty技术,4.1 Doherty技术,Doherty原理框图,三种工作状态分析,理想Doherty放大器和B类放大器效率对比,多级Doherty功率放大器结构框图,不同Doherty功放结构的效率,4.2异相功率放大器,异相功率放大器的简化框图,4.3 Kahn包络分离与恢复技术,传统Kahn模拟包络分离和恢复方案,采用DSP技术的直接变换方案,E
20、ER(Envelope Elimination and Restoration)Separating phase and magnitude information Elimination of AM/AM-distortion Application of high-efficient amplifiers(independent of amplitude distortion)Stability guaranteed,EER(Envelope Elimination and Restoration),Analog realizationLimiter hard to buildAccura
21、cy problemsFeedback necessary Digital realizationOversampling+high D/A conversion rates requiredHigh power consumptionof DSP and D/A-convertersPossible feedbackeliminationCompensation of AM/PMdistortionpossible,EER(Envelope Elimination and Restoration)Bandwidth of Magnitude-andphase-signal have higher thantransmit signal,Five times(!)oversamplingnecessary to achieve standardrequirements,4.4 开关模式功率放大器,开关“级”功率放大器结构,二极管开关负载网络电路结构,4.5双途径功率放大器,双途径功率放大器框图,可变增益放大器电路图,可变增益功分器,可通断途径功率放大器电路图,具有三口负载网络结构的双途径功率放大器结构框图,具有三口负载网络结构的双途径功率放大器,双链式MMIC功率放大器电路图,成都赛英科技有限公司 微波与数字技术的完美结合 雷达和通信设备的最佳配套,ENDThanks!,
