射频功放设计指南.docx
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射频功放设计指南
射频功放设计规范和指南
第一章射频功放设计步骤
射频功放设计一般分为五个步骤进行，别离为：
制定设计方案、选择与肯定具体线路形式及关键器件、进行专题实验或一板的实验、结构设计及PCB详细设计、进行可生产性与可测试性设计和分析。
一.1定设计方案
在进行射频功放设计时，咱们第一要按照给定（或需要）的技术指标和功能指标制定设计方案。
制定设计方案的主要依据是指标要求中的额定输出功率、线性度（ACPR/IMD）、载波数、功耗/效率等指标。
一.1.1GSM及PHS基站系统
在GSM及PHS基站系统中，由于对线性度要求不是很高或额定输出功率不是专门大，且在单载波情形下工作，所以咱们选择通用的射频功放设计方案——功率回退法（高功放HPA）。
组成HPA放大器一般有两种工作状态：
A类及AB类工作状态。
A类放大器具有良好的线性放大性能，其三阶交调系数与输出功率的转变关系是：
输出信号功率减小3dB（即减小一半功率），则三阶交调抑制改善6dB。
一般来讲，A类放大器在1dB紧缩点输出时，三阶交调系数约为－（通常取－20dB）。
为了达到必然的线性，并考虑到工程问题，A类放大器需回退15dB，现在放大器的三阶交调抑制能够达到－45～－50dBc。
但是利用A类放大器的最大缺点是效率低及本钱较高。
这是因为实际应用中A类放大器在它的1dB紧缩点输出功率时，其效率只有10％。
比如，完成一个30W平均输出功率的HPA，就需要至少有300W的耗电，而且工作电流随输出功率转变的值不大。
若考虑回退12dB，则需要有480W平均功率输出，需耗电。
为了达到30W的输出功率需要用较多的功率管。
如此就加大了HPA的本钱和体积，增大了研制本钱和难度。
为了避免那个问题，建议在小功率放大器（平均功率输出≤1W）设计中利用A类放大器；在中大功率放大器（平均功率输出>1W）设计中利用AB类放大器。
AB类放大器的特点是效率高、本钱低。
由于单管的输出功率高，仅需少量的功率管即可做到较高的输出功率，所以本钱较低，且散热和结构设计能够简单化。
目前用在AB类的管子主要选LDMOS管，AB类放大器用最大包络功率PEP来描述其功率容量，类似A类的1dB紧缩点。
偏置在AB类的LDMOS放大器，在PEP处的互调抑制为28dBc，回退3dB时互调抑制接近40dBc，继续回退，改善不大。
回退10dB时效率约为15%。
总之功率回退法的长处是简单、易实现，缺点是受功率管P1dB限制。
A类放大器的三阶交调系数IMD3、三阶交截点IP3及输出功率Pout的关系见
（1）式
IMD3（dBc）=2[IP3（dBm）-Pout（dBm）]
（1）
A类放大器的1dB紧缩点P1dB与其三阶交截点IP3的关系曲线图见图、图。
图1.1A类放大器的1dB紧缩点P1dB曲线
图1.2A类放大器的1dB紧缩点P1dB与其三阶交截点IP3的关系曲线
AB类放大器不适用于上述两个曲线，具体可参考所选定的功率管厂家给出的IMD或ACPR曲线。
一.1.2CDMA及WCDMA基站系统
在CDMA及WCDMA基站系统中，由于CDMA技术是随机包络的宽带信道，交调失真的影响产生频谱再生效应，所以对线性度要求很高，加上额定输出功率较大，且在多载波情形下工作，因此咱们选择前馈法或自适应预失真的设计方案进行射频功放的设计，至于选用哪一种方案，设计人员应按如实际情形来肯定。
下面将前馈及预失真技术的优缺点做一简单比较，如表所示（这两种技术的详细介绍请参考后面的专题）。
表前馈及预失真技术比较
线路技术
矫正能力
带宽
优点
缺点
相对成本
前馈
20~30dB
>25MHz
改善线性最好，带宽最宽
线路结构复杂，改善量受制于控制电路对两个环路的增益及相位的处理能力，受制于∆G、∆Φ
高
预失真
3~7dB
>25MHz
简单，微波段和中频段均能实现
矫正能力有限
低
自适应预失真
10~20dB
10~15MHz
微波段和中频段均能实现
较复杂
中
一.1.2.1前馈放大器
前馈放大器原理如图所示。
图前馈放大器原理框图
在图中，由耦合器C一、C二、C3、移相电路D2及主放大器组成环路1，其作用是为了消除放大器的载频信号功率，提取误差信号；由耦合器C二、C3、C4，移相电路D1及误差放大器组成的环路2是为了消除主放大器非线性产生的交调分量，改善功放的线性度。
前馈技术交调改善如
（2）式所示：
ΔIM=-10log|1+10ΔG/10-2×10ΔG/20cosΔΦ|
（2）
式中：
ΔIM=交调改善值，单位为dB
ΔG=抵消输入幅度误差，单位为dB
ΔΦ=相位误差，单位为度
当ΔG≤、ΔΦ≤2º时，改善效果理论上能够达到30dB。
另外前馈方案对每对对消通道在工作频带内的增益平坦度和相位平坦度的要求是比较严的，而增益和相位容易受到温度、电压、功率等因素的影响，实际的改善效果与理论值会有必然的差距。
一.1.2.2预失真技术
预失真技术是利用非线性发生器产生一个失真信号，耦合到功率放大器的输入端，抵消功率放大器的非线性失真，其框图如图所示。
预失真技术在国外线性功放中普遍采用，国内在一些无线系统的中频中也采用预失真技术，因此该技术是可行的。
图预失真技术原理框图
一.2选择肯定具体线路形式及关键器件
设计方案肯定后，就可以够按照设计方案选择具体线路形式及关键器件，包括射频放大链路形式选择与控制电路形式选择。
一.2.1射频放大链路形式与关键器件选择及肯定
一.2.1.1射频放大链路
射频放大链路的形式主要依据整机分派给链路的增益、额定输出功率、增益平坦度、线性度（ACPR/IMD）、功耗/效率等指标来肯定。
其原理框图形式如图所示：
射频放大链路一般由输入分路、输入取样、压控衰减、多级放大、输出环行器保护、前向取样、反向取样、输出采样等大体电路组成。
其中放大级数取决于链路增益及所选放大器件的增益；前向取样、反向取样、输出采样电路通常采用微带线形式的定向耦合器来完成。
图射频链路的形式框图
一.2.1.2功率管的选择原则
依据整机分派给射频放大链路的增益、额定输出功率、增益平坦度、线性度（ACPR/IMD）、功耗/效率等指标，并结合给定的射频放大器的工作频段，选择适合的各级功率管。
一般先选定末级功率管，然后再依次逐级选定前面各级功率管，选管的原则是前一级的主要指标（如ACPR）不能引发后一级指标的恶化，更不允许前一级的输出功率大于后一级的输入功率。
一.2.1.3级联放大器的三阶交调系数与各级IMD3关系
大多数射频功放是由两极或多级放大器组成，级联放大器的IMD3主要取决于末级放大器的IMD3，因为在设计驱动级时一般将其交调失真设计得很低。
各放大级的IMD3对整个级联放大器的IMD3的影响可用（3）式来表示。
IMD3=10log（10d1/10+10d2/10+…10dn/10） （3）
式中IMD3为级联放大器的三阶交调系数，d1、d2、dn为各放大级的三阶交调系数。
由（3）式可知两级放大器的IMD3如（4）所示：
IMD3=10log（10d1/10+10d2/10）=d2+10log[1+10（d1-d2）/10] （4）
假设两级放大器的三阶交调系数之差的绝对值为A，即A=d1-d2，则驱动级的IMD3对末级的IMD3的影响值B（末级交调恶化值）可用下面的（5）式来表示：
B=10log[1+10-A/10] （5）
（5）式可转化为图的曲线来表示
图级联放大器中驱动级交调系数对末级交调系数的影响曲线
一样由（5）式可取得不同A值时恶化值B，表所示
表1.2A、B对应值
A驱动级优于末级的IMD3（dB）
B末级交调恶化值（dB）
0
3
5
10
15
20
由图和表能够看出，驱动级优于末级的IMD3越大，则级联放大器的交调系数恶化值越小。
上述图表对咱们选择级联放大器的驱动级管子具有专门大的参考价值。
一.2.1.4常常利用功率管
常常利用功率管的厂家中，中小功率管厂家有AD、MINI、WJ、Stanford等公司；中大功率管厂家有Motorola、XEMOD、PHLIPS、ERISSON、FUJITSU等公司。
下面列出几种功率管的比较，如表所示。
由于LDMOS管子的高增益、高效率和良好的线性特性，和其较好的性价比，目前在中大功率的射频放大器中LDMOS管被普遍地应用。
表 几种常常利用功率管比较表
功率管类型
G/1GHz（dB）
IMD/AB（dBc）
P1dB（W）
价格$/W
双极型
8
-30
150
LDMOS
11
-40
90
GaAsFET
14
-45（A类回退10dB）
30
一.2.2控制电路的肯定
射频功放中的控制电路一般有两种类型：
一种是常常利用的保护功能的控制电路；一种是消除非线性指标的控制电路。
一.2.2.1保护功能的控制电路
功放中功率管的价钱都是很贵的，为了在异样情形下功放不被损坏，咱们要采取以下办法对功放进行保护：
●过功率告警保护；
●过温告警保护；
●驻波告警保护；
●器件失效告警保护；
●过鼓励保护；
●过流保护；
该部份电路只需要用单片机和运放器将功放的输入取样、前向取样、反向取样、输出采样、温度取样、电流取样等各类采样信号进行A/D、D/A转换，并将采样信号放大，进而用来控制功放的工作状态，以达到保护功放的目的。
一.2.2.2消除非线性指标的控制电路
在前馈功放和自适应预失真功放的设计中，为了消除非线性产生的交调分量，需要对各采样点的信号（相位与幅度）信息进行处置，如此就需要信号处置电路中的DSP芯片将各采样信号的信息通过与其内部的算法相结合，取得最佳的控制各环路幅度和相位的控制电压参数，通过控制移相器和衰减器来不断的调整抵消环中的幅度和相位，从而使得功放的线性指标达到要求。
一.3进行专题实验或一板实验
具体线路形式及关键器件肯定以后，在仿真的基础上，进行PCB设计，同时需要结构实验件的要进行配套结构件的设计，通过实验来验证设计方案的可行性，进而转入下一步的详细设计阶段。
一.4结构设计及PCB详细设计
在各单元板专题实验的基础上，进行各单元板的详细设计，包括各输入/输出接口的具体位置、安装位置等，同时结构设计按照整体结构尺寸及各单元板的尺寸进行结构件的详细设计，设计时要按照整体积、总功耗及给定的风流量进行热设计仿真与分析，进行电磁屏蔽的分析设计，使得结构设计在散热及电磁屏蔽方面达到要求。
一.5进行可生产性、可测试性的设计与分析
在进行结构设计及PCB详细设计的同时，就要考虑可生产性、可测试性的设计。
现在可让生产线工艺人员先期介入，对咱们的设计进行可生产性、可测试性的指导，使得在设计初期就把可生产性、可测试性的问题解决好，如此在二板设计中就避免了大的改动，尽可能避免三板设计的发生，节省人力、财力和时刻，缩短研发周期，及时量产，抢占市场。
总之，射频功放的设计步骤能够归纳为，第一要按照给定（或需要）的技术指标和功能指标制定设计方案；然后按照设计方案选择具体线路形式及关键器件；具体线路形式及关键器件肯定以后，在仿真的基础上，进行PCB设计（包括结构实验件的设计）；在各单元板专题实验的基础上，进行各单元板的详细设计与结构件的详细设计（包括热设计与电磁屏蔽，可生产性、可测试性的设计）；按照一板调试情形，结合高低温摸底结果，进行二板改良设计，争取在二板中解决所有问题，尽可能避免三板设计的发生。
第二章功放设计中的检测及保护电路
射频功率放大器就是将发射机里的振荡器所产生的射频小功率，通过一系列的放大——鼓励级、中间级、末前级、末级功率放大级，取得足够大的射频功率的装置。
射频功放是发送设备的重要组成部份。
功率放大器是一种比较昂贵的资源，具体体此刻功率放大管比较昂贵。
在整个无线发射链路本钱组成来看，功率放大器的本钱比例大于50%（绝大多数），而且功率越大，其所占本钱比例就越大。
另外功率放大器的功率放大管是一种相对比较脆弱的器件，尤其是跟低功率小信号放大管比较。
其脆弱性主要体此刻如下几方面：
●静电敏感性高。
●热敏感性比较高。
●对射频过载比较敏感，既对射频输入功率过载比较敏感，对输出失配比较敏感。
由于功率放大器是一种相对比较昂贵，而且比较脆弱的器件，所以在设计功率放大器时必需考虑如何保护功率放大器，以避免静电、浪涌、过热过温、过压、过流、过载造成功放故障或失效。
二.1引发功放失效的原因
要对功率放大器实现有效的保护，必需要明白引发功放失效的原因。
功放的失效原因主要有以下几种：
a）静电击穿引发的失效。
运输、接触致使静电作用于功率管的电极，产生击穿效应，使器件永久失效。
该种失效的避免能够从器件、单板运输、操作等进程中，采取防静电办法来解决。
解决方式有：
●通过避免静电源的产生（比如维持空气的湿度），
●通过接地使静电源的静电能够有效释放而避免积累，
●通过采取静电隔离办法。
a）过压引发的失效；过压会引发功率放大器的电极击穿或处于不正常的工作状态。
引发过压的情形有：
●功放直流馈电电路部份出现元器件失效，引发过压；
●与功放相关的控制和电源部份出现故障产生的关联效应，引发的过压；
b）过流引发的失效；功放的工作电流超出其正常工作电流而引发的失效。
c）过鼓励引发的失效；输入的功率电平超出功率放大器安全范围，会引发功放永久性失效。
其结果是直接致使功放烧毁。
d）负载不匹配引发的失效。
负载开路/短路或失配使功放输出端呈现比较高的驻波散布，使射频能量不能有效的传输出去，大部份能量转换成热，造成热积累，一方面降低了功放效率，另一方面，将造成功放热烧毁。
f）过热/过温引发的失效。
由于散热不良或环境温度太高引发功率器件失效。
二.2功放保护电路设计类型
针对功率放大器失效的几种原因分析，相应的保护电路设计主要分为如下几方面：
a）过压保护，该保护形式表此刻电路上有：
●电压钳位电路；设计适合的钳位电路能够使馈电电压限制在安全的范围内。
●压敏电路；通过并联压敏电阻或其他压敏器件，当电压超过压敏器件的临界电平时，压敏器件产生短路效应，拉低电平，从而达到保护的目的。
●稳压电路；通过稳压电路时输入电压范围取得扩大。
●“电压检测+过压判断+执行保护”的闭环保护形式。
b）过流保护，过流保护主要有以下几种形式：
●电源限流保护。
若是给功率放大器馈电的电源模块具有限流功能，那么该限流功能能够避免功放出现过流。
比如功放过鼓励或自激的情形下，若是没有限流，功放会被自激或过鼓励产生的大电流烧毁。
●过流闭环保护。
通过对功放的工作电流进行实时监测，一旦出现过流，自动切断电流，以达到保护功放的目的。
c）过鼓励保护，当输入功率超过功率放大器安全工作范围时，对功放实施的保护。
过鼓励保护的形式有：
●输入功率限幅。
通过限幅器件实现。
●过鼓励闭环保护形式。
通过对功放的输入功率进行实时监测，一旦发觉功放过鼓励，自动切断输入信号或自动大幅度衰减输入信号，以达到保护功放的目的。
d）热保护。
热保护是在出现温度太高或过热的情形下，对功放实施的保护形式，即为热保护。
热保护的方式是通过温度或热检测电路对功率放大器的温度和热的情形进行监视，一旦检测的温度或热超过门限值，通过保护执行装置对功放进行保护。
e）失配保护。
失配保护是在功放输出失配的情形下，为避免失配对功放损害的一种保护电路形式。
二.3功率放大器的保护模型
通过对各类功放的保护电路分析，一个完整保护电路大体上能够通过如图所示模型进行描述。
该模型由以下几部份组成：
a）状态监测部份。
通过传感器实时跟踪相关状态的转变，为保护提供实时数据。
b）比较判断部份。
让来自状态监测的数据与预设的保护/告警/恢复门限进行比较，按照比较结果输出相应的数据到告警显示、保护执行机构或通过通信口上报后台等。
c）保护执行部份。
按照来自比较判断的数据作出相应的保护动作。
保护执行动作就是状态异样时，执行保护；状态恢复正常时，解除保护既自恢复。
图功率放大器的保护电路模型
该模型的大体工作原理：
状态监测部份通过传感器实时跟踪功率放大器相关状态转变，并将反映该转变的数据传给比较判断部份；比较判断部份对检测取得的数据与预设的告警、保护门限、自恢复门限进行比较，按照比较结果，输出命令至保护执行机构或告警显示部份，另外将信息通过通信口上报后台。
以上是一个完整、系统的保护电路模型，既按该模型去设计保护电路能够达到目的，可是实际应用中很多并非如上有一个完整的模型，只是其中几部份组成，乃至有时只是单个器件组成。
比如限幅器件的本身特性就包括了状态检测、判断比较、执行保护，只不过是这些进程不是靠其他器件完成，而是靠器件本身的特性完成的。
类似的器件还有钳位二极管、压敏电阻、PPTC（polymericpositivetemperaturecoefficient）自恢复电流保护器件等。
二.4功放的状态监测
功率放大器的状态监测是功放保护设计的一个超级重要的环节，可否正确、有效、及时检测出状态转变，是可否有效进行保护的关键。
功率放大器有很多状态，但按照系统保护设计方面的需求，并非对每一个状态进行状态监测，而是对一些关键状态进行监测。
按照监测的状态的不同，将状态监测分类为：
a）鼓励状态监测；监测输入功率转变。
b）电流流状态监测：
监测功放的工作电流转变。
c）电压状态监测：
监测功率放大器的功率管或其他电路的某些电压转变。
d）匹配配状态监测：
监测功放输出负载匹配情形。
e）增益状态监测：
监测整个功放的增益转变。
f）输出功率状态监测：
监测功率的输出功率转变。
g）温度/热状态检测：
监测功率的温度和热转变。
功率放大器的状态监测是通过各类检测电路实现的，实现上述状态监测的检测电路有：
a）功率检测电路。
功率检测电路可用作鼓励状态监测、匹配状态监测、输出功率状态监测、增益状态检测的大体检测单元。
而功率检测电路按照要检测的功率类型不同可分为：
●峰值功率检测电路：
反映载波包络转变的功率检测电路。
目前比较成熟的峰值检波电路模块有AD公司的AD8313、AD8307等。
AD8313的典型应用电路图所示：
图AD8313、AD8307的典型应用电路
●平均功率检测电路：
反映载波平均功率转变的功率检测电路。
平均功率检测电路一般是在峰值功率检测的基础上加上光滑滤波电路即可。
●RMS功率检测电路：
反映载波均方差功率转变的功率检测电路。
对于如CDMA等变包络调制功率信号，RMS功率检测电路能够真实的反映器其功率转变。
目前应用比较多的电路是基于AD公司的AD8361，AD8362等电路。
按照检测电路输入和输入的对应关系，可将功率检测电路分为：
●对数功率检测电路，即检波输出电平与输入功率的对数呈线性转变关系的功率检测电路。
该电路适于检测dB转变要求情形。
●线性功率检测电路，即检波输出电平与输入功率呈线性转变关系的功率检测电路。
该电路适于检测W转变要求的情形。
b）电压取样电路。
电压取样电路可作为电流状态监测，电压状态监测的大体电路。
c）电流检测电路。
或电路是检测电流转变的大体电路。
能够用电流检测进行电流状态监测。
目前电流检测电路应用比较多的是霍尔电路，尤其是大电流检测。
d）温度检测电路。
通过检测温度转变，是温度/热监测大体电路。
由于不同的状态监测对检测电路的要求是不一样的，或同一状态检测不同的系统对检测电路的要求也是不一样的。
明确对相应检测电路的要求是进行检测电路是设计的前提。
对检测电路的一路要求主要有如下几方面：
精度、准确度、线性、动态、响应时刻、噪声性能、抗干扰性、灵敏度、靠得住性、一致性。
二.5状态的比较判断
比较判断是保护电路设计一个比较重要的部份，尤其是闭环保护电路。
其功能是将监测的状态数据与预置的门限数据进行比较，按照比较结果输出命令去保护执行装置、显示告警装置或直接通过通信口上报后台。
比较判断按照电路实现形式的不同分为硬件判断和软件判断两种形式。
按照门限可变与否可将比较判断分为固定门限比较判断，可调门限比较判断。
二.6保护执行装置
保护执行装置是功率放大器的保护电路中的保护执行者，它按照来自比较判断的命令，做出相应的保护动作：
进入保护，解除保护。
执行保护的器件和装置主要有如下几类：
a）开关器件类，用在射频功率放大器的开关主要包括直流开关、射频开关，其作用是通过切断直流电流或射频鼓励达到保护的目的。
b）参量限制器件类，用在射频功率放大器的参量限制主要有限幅器件和限流器件。
该类器件是通过限制鼓励的幅度或电流强度来达到保护的目的。
c）参量调整器件类，用在射频功率放大器的参量调整类器件有电调衰减器，数字衰减器，可变增益放大器。
利用该类器件能够将过鼓励部份调整回安全状态。
d）组合类器件：
将保护执行部份跟功率放大器的其他电路集成在一路，形成一个多功能组合器件。
比如LP2951，LP2951若是用在功率放大管的偏置电路上，一方面能够提供稳固的偏压；另外LP2951有一CONTROL端，若是该端输入高电平信号，那么输出电压为零，该功能能够作为保护用。
二.7保护电路举例分析
下面介绍某功放的保护设计电路，其原理如图所示。
其功能是当输入信号超过必然电平时，将输入信号大幅度衰减，以保证后面的功率放大器不被损害。
该电路由如下几部份组成。
a）功率取样部份（图中白色部份）。
该电路为一取样耦合器。
b）功率检测部份（图中蓝色部份）。
该部份的核心器件是一个峰值检波器AD8313，其功能是检测耦合过来信号的功率转变。
c）滤波比较部份（图中浅黄色+黄色部份）。
该部份通过一个PI型滤波器滤除交变部份和干扰，输入至比较器电路LM311，将信号与参考电平进行比较，输出高电平或低电平至电调衰减器。
d）电调衰减部份（图中白色部份）。
该部份的功能是：
正常工作是它是作为增益调节装置利用的，当输入功率超过输入功率上限时，比较器输出的高电平使该电调衰减器实行最大衰减。
图 功放保护设计电路实例图
第三章功放中增益补偿电路的实现
在目前通信系统中基站所用的功放中，LDMOS功率管由于本钱相对较低，线性好而普遍利用。
由于它的工作点和增益随着温度的转变而转变，因此，在电路设计中，要考虑对工作点和增益进行温度补偿。
三.1模拟环路增益控制
利用模拟环路增益控制能够在必然程度上抵消放大链路的各类环境转变对增益的影响，并可改善增益平坦度，在非时分的系统中有专门好的效果。
缺点是比较复杂，调整不很方便，具有响应时刻问题，不能用于GSM、CDMA20001XEVDO等时分的系统中。
简图如图所示：
图模拟环路增益控制
其中，所用的压控衰减器能够用3dB电桥（例如1D1304）和PIN二极管（例如HSMP3814）组成，也能够用集成的器件（例如AV104）。
需要注意的是衰减器的工作点不要离最小衰减太远，避免在生产或上电、失锁时损坏后级的器件。
三.2数字环路增益控制
那个电路和上面所介绍的电路类似，所不同的是用单片机控制的D/A通过驱动来进行控制衰减器，如图所示。
调整响应时刻参数和算法，能够用于各类系统，但用于时分系统时要注意实验的充分性。
图数字环路增益控制
那个电路的还有一个长处就是能够在必然范围内控制链路的增益，在生产时不需要修改常常利用的电阻衰减网络。
那个
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