高效率E类射频功率放大器的设计1.docx

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高效率E类射频功率放大器的设计1

摘要

随着信息产业的迅速发展，人们对无线通信系统提出了越来越高的要求。

射频功率放大器在无线通信系统中占有重要作用，将直流电源的直流功率转换为输出信号。

如何设计出性能良好的功率放大器已经成为人们广泛关注的课题。

本文首先介绍了射频功率放大器研究的背景，分析了国内研究成果与国外研究成果的差距，并介绍了射频功率放大器的研究意义。

其次分别从射频功率放大器的工作的频带、匹配网络、电流导通角、工作状态等角度介绍了其分类。

然后分析了A类功率放大器、B类功率放大器、AB类功率放大器、C类功率放大器的功率与导通角存在的关系，导通角减小，效率会增大，但基波振幅会减小，当导通角减小到零时，效率理论上达到了100%，但电路中已经没有了信号。

通过减小导通角提高效率已经行不通，此时引入开关类型D类功率放大器。

D类功率放大器的设计主要是要求功率管在导通时，即功率管有电流流过，饱和管压降为零，截止时，流过功率管的电流为零，饱和管压降不为零。

由于功率管极间电容和电路中的分布电容，将使功率管在导通至截止和截止至导通的开关转换瞬间集电极上的电压和电流均不为零，即集电极上有功率损耗，也就限制了D类功率放大器不能应用于高频的特性。

如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽可能地减少，使通断的转换时间尽可能地缩短，从而提高效率，即构成E类功率放大器。

E类功率放大器主要是利用功率管截止时，使集电极电压uce在集电极电流ic=0以后才开始上升；功率管导通时，使集电极电流ic在以后才开始出现，保证使功率管从导通至截止或从截止至导通的开关期间，集电极电流ic和集电极电压uce不会同时出现，只有这样，消耗在集电极上的功率才能为零，功率管的功耗最小，效率最高。

随着信号处理技术的发展和功率器件性能的提高，以E类功率放大器为代表的开关类功率放大器，正在以其高效率的优势日益受到人们的重视。

总之，射频功率放大器的发展还有很大空间和工作要求，致力于更高效率和更好性能的研究，将会更好的满足飞速发展的信息技术的要求。

关键词：

射频功率放大器；E类射频功率放大器；高效率；阻抗匹配

Abstract

Asthedevelopmentofinformationindustry，thewirelesscommunicationsystemsarerequiredtobemoreandmoreefficient.FortheimportatroleofRFpoweramplifiersinwirelesscommunicationsystem，ithasbecomearousedgeneralinterestthathowtodesignawellperformanceRFpoweramplifiers.

ThispaperintroducestheresearchbackgroundofRFpoweramplifier,analyzesthedomesticandforeignresearchresultsofresearchgaps,andintroducestheresearchsignificanceofRFpoweramplifierfirstly.Secondly,fromtheRFpoweramplifier,matchingnetwork,theworkingfrequencycurrentconductionangle,workingstateangleintroduceditsclassification.Followedbyananalysisofclassapoweramplifier,classBpoweramplifier,classABpoweramplifier,classCpoweramplifierpowerandconductionanglerelationshipexists,theconductionangledecreases,efficiencywillbeincreased,butthefundamentalwaveamplitudedecreases,whentheconductionangledecreasestozero,efficiencytheoryreached100%,butthecircuithavenoasignal.Byreducingtheconductionangletoimproveefficiencyhasfailed,thenintroducingtheswitchtypesofclassDpoweramplifier.ClassDpoweramplifierisdesignedtorequirepowertubeconductiontimein,namelythepowertubecurrentflows,saturationvoltagedroptozero,attheend,throughthepowertubecurrentiszero,thesaturationvoltagedropisnotzero.Asaresultofpowertransistorinterelectrodecapacitanceandcircuitsinthedistributedcapacitance,willmakethepowertubeinconductiontothecutoffandendtotheturn-onswitchinginstantcollectoronthevoltageandcurrentarenotzero,thecollectorhasthepowerloss,willalsolimittheclassDpoweramplifiercanbeappliedtohighfrequencycharacteristics.Ifthecircuitisimproved,sothattheelectronicdeviceintheon-offconversioninstantaneouspowerconsumptionreducingasfaraspossible,sothattheon-offswitchingtimeshortenedasmuchaspossible,therebyimprovingtheefficiency,whichconstitutetheclassEpoweramplifier.

ClassEpoweramplifieristhemainpowertubeisclosed,sothatthecollectorvoltageucecurrentcollectorinic=0thenbegantorise;powertubeisconducted,thecollectorcurrentoficinlaterbegantoappear,toensurethatthepowertubefromconductingtothecutofforfromtheendtotheconductionoftheswitchduringtheperiod,thecollectorcurrenticandthecollectorvoltageucewouldnotappearatthesametime,onlyinthisway,thepowerconsumptioninthecollectortozero,thepowertubeminimumpowerconsumption,highestefficiency.

WithclassEpoweramplifierastherepresentativeoftheswitchingpoweramplifier,isitshighefficiencyadvantageisincreasinglyvaluedbypeople.Overall，itisabroadspacefordevelopmentofRFpoweramplifier，onlybydesigningRFpoweramplifierswhichhavehigherefficientandbetterperformance;itwillbemeetingintherapiddevelopmentofinformationtechnologyinoursociety.

Keywords:

RFPowerAmplifier;ClassEPowerAmplifier;Highefficiency;Impedancematching

1绪论1

2射频功率放大器2

2.1射频功率放大器的研究背景2

2.2射频功率放大器的研究意义3

2.3国内外研究状况和发展态势3

2.4射频功率放大器的参数6

2.4.1效率7

2.4.2线性度7

2.4.3杂散与输出噪声9

3射频功率放大器的分类与电路结构10

3.1A类功率放大器11

3.2B类功率放大器12

3.3AB类功率放大器13

3.4C类功率放大器13

3.5D类功率放大器14

3.5.1电流开关型D类功率放大器15

3.5.2电压开关型D类功率放大器15

3.6E类射频功率放大器17

3.6.1具有并联电容的E类功率放大器17

3.6.2具有并联电路的E类功率放大器18

4具有并联电容的E类功率放大器设计19

4.1E类射频功率放大器原理分析19

4.2E类射频功率放大器设计步骤21

4.2.1选择功放管21

4.2.2设计输入输出阻抗匹配网络22

4.2.3引入差分输入输出结构25

4.2.4E类功率放大器电感的设计26

4.2.5引入反馈技术27

结束语28

致谢29

参考文献30

1绪论

射频技术在面世的半个世纪以来，广泛地应用在军用、民用事业中，尤其是近年来无线通讯、卫星定位导航、精确制导及反制导、以及各类雷达大量需求的刺激，使得射频技术以前所未有速度迅猛发展，进入了射频微电子技术时代。

最近十年，各种无线通信技术，如无线寻呼、移动通信蜂窝技术等相继出现。

这些技术的广泛推广和应用已经使人类摆脱了通信场所的限制，基本实现了随时随地通信的梦想。

而且文字、图片、声音和图像等各种信息每时每刻都在通过各种方式传递，改变和影响着人们的生活。

随着无线射频技术系统的日趋普及，小型化、便携化系统成为当今的主流，但是在无线移动系统中，电源供应大多来自于电池，电池使用时间在整个系统性能中的作用变的越来越重要，已经成为衡量射频系统重要的性能指标之一。

就需要设计的系统具有功耗低的优点，增加电池的寿命，所以如何减少射频系统的功耗，渐渐成为现今射频系统设计重点。

功率放大器由于需要为射频系统与外界通讯提供足够的发射功率，所以其内部功耗较大，如果降低了射频系统中发射模块的功耗，也有可能降低整个系统的功耗。

在整个发射系统中，功率放大器是射频系统向外界发射功率的重要模块，也是整个系统中消耗功耗最大的模块之一。

要延长电池的使用时间，降低功率放大器的功耗对于整个系统的功耗有着重要的意义。

2射频功率放大器

射频功率放大器（RFPA）是各种无线通信系统发射机的主要组成部分之一。

在发射机的前端，基带信号经过调制和上变频以后所产生的射频信号功率很小，需要经过功率放大模块进行放大，获得一定量级的功率之后，才能发送到天线端辐射出去，以供接收系统进行处理并获取信息。

设计一个射频功率放大器电路，往往需要对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题进行综合考虑，在这些因素中找到一个最优化的设计方案，满足重要指标的实现。

射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，其次是线性度，这是研究射频功率放大器的关键。

而对功率晶体管的要求，主要是考虑其击穿电压、最大集电极电流和最大管耗等参数，一般在多选择耐压较高的晶体管。

此外，为了实现有效的能量传输，天线和放大器之间，放大器内部的各级之间、放大器与前级电路都需要采用阻抗匹配网络。

下面分小节来介绍功率放大器的主要参数和指标。

2.1射频功率放大器的研究背景

无线通讯系统的功能是为了满足人们远距离传输信息的要求，对包含着信息的信号进行处理、发送、接受等。

图2.1无线通信系统发射机的简化框图

图2.1所示为一般无线通信系统发射机的简化框图。

在通信系统的发射机断，需要传送的原始信息信号经过调制器，在与本机振荡器（LO）进行混频，把它的频率提高到载波的频率点以方便输送。

连接在混频器前后的带通滤波器（BPF）所起的作用是抑制掉多余的谐波频率分量。

原始的信息信号经过调制和上变频以后，再送到功率放大器（PA）中进行功率放大，然后馈送到天线上发射出去。

由图2.1可知，射频功率放大器是无线通信发射系统的主要组成部分之一，在整个系统中有着不可或缺的地位。

随着GSM（GlobalSystemforMobileCommunications,全球移动通信系统）、WCDMA（WidebandCodeDivisionMultipleAccess,宽带码分多址）、TD-SCDMA（TimeDivisionSynchronousCodeDivisionMultipleAccess,时分同步码分多址）等无线通讯技术的不断发展，人们对射频功率放大器的认识和研究也有了许多突破性的进展，取得了不少实质性的研究成果。

总的来说，一切无线通讯的发射系统都不能缺少功率放大这一模块，因此射频功率放大器在通讯系统中扮演着一个举足轻重的角色，射频功率放大器性能的好坏直接影响着整个系统的性能发挥，因而无线通信系统需要工程师们设计出性能良好的功率放大器,才是满足当今移动通信系统的要求。

2.2射频功率放大器的研究意义

对射频功率放大器的设计和生产进行研究，具有非常重要的意义。

首先，一般来说，通信系统都要对相邻频段的用户产生最小的干扰，也就是说，被传送的信号要尽量处于所要求的频率范围之内，所占的带宽要尽可能的少。

但是通信系统中电路中的非线性器件必定会导致非线性失真的产生，因此不可避免会对相邻信道产生干扰。

考虑到功率放大器是发射机系统中非线性最严重的模块，因此，降低功率放大器的非线性失真，对功率放大器线性化技术的研究也就顺理成章地成为功率放大器研究的首选突破口。

其次，现阶段通讯行业中使用的功率放大器的效率都比较低，大部分功率都消耗在基站中而不是用在对信号的放大上，这对资源的利用造成了很大的浪费，也加重了设备维护负担。

因此，如何提高功率放大模块的效率，减少基站建设和维护运行的成本，建造节能节电型的基站，提高通讯行业的经济效益，也成为现今人们关注的热点问题。

2.3国内外研究状况和发展态势

对功率放大器进行设计，包括一系列步骤，如对功放管的选择，对输入输出网络匹配的设计计算，对偏置电路和工作点的设计和确定，以及电磁兼容等问题，但是最关键的两个考虑因素还是功率放大器的线性度和效率的高低。

此外，由于电路中各种不同类型的调制器和多载波信号的应用，都加大了设计者提高功率放大器线性度的难度。

目前国内外关于功率放大器线性化技术的研究有许多,不过大多都是集中在前馈、反馈、预失真、LINC（LinearamplificationusingNoncinearComponent，使用非线性元件的线性放大器）和EER这几种方法上，从技术创新上尚未提出新的线性化技术方案。

对功率放大器线性化技术的研究最早可以追溯到二十世纪二十年代。

1928年工作于贝尔实验室美国科学家Harold.S.Black发明了前馈和负反馈技术，并应用在了放大器的设计中，有效地减小了放大器的失真，被人们认为是功率放大器线性化技术的开端。

不过当时主要是从器件本身的角度考虑来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器的频率点也比较低。

一直到二十世纪七八十年代，随着无线通讯技术的兴起和快速发展，功率放大器的线性化技术才得到迅猛地发展。

一些有创新性的技术和方法得到了工程师们的广泛研究和使用，比如：

预失真技术、自适应基带预失真技术、自适应前馈线性化技术、自适应前馈预失真技术、用非线性器件实现线性功率放大的LINC技术等等。

EmestoG.Jeckelin等三位研究员结合软件无线电和DPS技术，将数字预失真技术应用到3G基站功率放大器中，仿真并实现了20W、1.96GHz的AB类线性功率放大器，线性度指标如ACPR（AdjacentchannelPowerRatio，邻近信道功率比）等均达到了预期值。

OualidHammi和SamiBousnina等人也在CDMA2000的1W、1900MHz的Doherty功率放大器中应用了预失真技术，实现了高线性度和高效率功放的设计，其中ACPR大于35dBc，PAE大于50%。

除了学术界，产业界有实力的企业和公司的科研力量也是推动技术发展不可忽视的动因。

美国线性器技术公司（LinearizerTechnofogyInc.）是生产线性放大器的专业公司，产品从L波段、S波段、C波段、K波段到Ka波段都有不同功率的行波管及固态放大器产品，并且可以根据客户的要求为放大器提供附加线性化器。

美国BrovoTecnh公司的TSLPA系列固态功率放大器模块输出功率为50W，增益在45dB到55dB之间，可以调整。

传输16信道时，交调指标可达-60dBc。

美国MPT公司推出的矢量衰减器产品用在前馈法中的对消环路上。

根据实验的结果，这种矢量衰减器克服了PIN衰减器的群时延随衰减量而变的缺点。

但是，美中不足的是，它接在主通道中，将会引入衰减。

美国Stealth微波公司的SSB（SingleSideBand,单边带）技术分部生产固态功放系列产品用于MMDS（MultichannelMicrowaveDistributionSystem，无多路微波分配系统）、GMS/AMP、PCS（PersonalCommunicationsService，个人通讯服务），以及本地环路和无线中继系统。

在该系统中，采用预失真的技术来改善线性度指标。

例如，PldB为41dBm的S波段放大器改善后三阶交截点提高到60dBm。

美国AMPLDYNE公司是低噪声和高功放生产商，其代表性的产品是AMP1960-100MC，用于1930MHz到1990MHz的宽带多载波传输，1个模块输出30W的功率，用4个模块合成起来,其功率达到100W，多音交调为-60dBc。

美国POWERWAVE技术公司是低噪声和高功放的生产厂商，该公司推出了多载波功率放大器，可以用在CDMA、PCS和无线蜂窝通信系统中，频段有800MHz、1800MHz和1900MHz,输出功率从50W到200W，其中200W的功率放大器由4个50W的功率放大器模块合成，采用前馈的方法，三阶交调指标为-70dB到-60dB。

加拿大的AMPLI集团是低噪声放大器和功率放大器的供应商，放大器的频率从IGHz-30GHz。

该集团1994年开始实施一项研制超线性功率放大器的计划，由蒙特利尔大学和NSIInc.合作，已完成L波段和K波段的固态功率放大器，输出功率分别为50W和20W。

日本三菱公司信息技术研发中心，采用微波预失真法改善场效应管放大器的线性特性。

FET管源极接地时增益随功率增加而增加，相位则随功率增加而减小，这个特性正好与接近饱和输出的功率放大器相反，这种线性化器用于7GHz饱和输出功率50W的功放，使其动态范围改善2dB，增益回退3dB。

韩国电子学与通信研究所采用前馈技术研制的超线性功率放大器，频率为1.855GHz，带宽为30MHz，输出功率是37dBm，第一个线性化环的对消优于-40dB，交调产物对消优于-35dB。

由于线性放大器在微波通信领域中有非常重要的应用，因此近年来国内有许多研究机构和有实力的公司，如中兴、华为、大唐等，己投入一定科技力量进行研发，但总体实力和研究成果跟国外的研究进度相比，还有很大差距，所以总的来说情况并不容乐观，电子科技大学的陈贵强等人研究了几种功率放大器的线性化技术，包括基带预失真、中频预失真及射频预失真技术，以及几种自适应预失真工作函数的产生方法，并利用多项式产生工作函数的方法对功率放大器进行预失真调整，使其线性度得到了比较大的优化.电子科技大学的温仲文等人通过功放无记忆模型分析了功放的非线性DAB信号造成的失真及基带预失真技术的工作原理。

研究了一种基于这种机理的硬件实现方法，通过在数字基带对信号进行预失真处理，补偿后端的射频功放所产生的非线性幅度失真和相位失真，从而有效地改善了DAB射频功放的线性度。

大唐M2000系列SDH微波通信系统中采用了中频预失真技术，不过没有交调指标。

东南大学毫米波国家重点实验室研制的460MHz超越性功放，采用前馈技术，输出功率10W，三阶交调可达到-66dBc，但也还处于实验阶段，离成熟的产品还有一定的距离。

除了对线性化技术的研究，对如何提高功率放大器效率的研究也是一个热门的课题，在这方面有很多的报告和成果。

例如，Transcom公司研发的“AMPFET50”高效率中波段调幅广播发射机效率达到了75%；NASAMarshallspaceFlightCente开发的2GHz到3GHz微波高效率功放效率高达49.7%；CalirorniaInstituteofTechnology开发的class-E/F2放大器在7MHz，1.1kW的输出功率时效率达85%；Marconi公司的“B6128”HF频段高效率单边带发射机可达70％的效率等。

在线性高效率功放方面，己经有了多种技术，除了前文提到的反馈、前馈、预失真、EER和LINC/CALLUM之外，还有动态电源偏置等。

DvidK.Su和WiiliamJ.McFarland采用EER技术实现了高效率线性放大器的集成电路，该IC模块包含了限幅器、包络检测器和△调制开关电源等部分。

采用该模块设计的835MHz线性功率放大器能将最大线性输出功率从26.5dBm提高到29.5dBm，效率由36％提高到49％。

其中，△调制开关电源的技术指标为：

THD=55dBc；效率η=80%，信号带宽为100kHz。

总的来说，无论是在国际上还是在国内，无论是高校和研究院所组成的学术界还是拥有许多大型跨国公司实力雄厚的信息产业界，都非常重视射频和微波功率放大器的线性化和高效率这两个关键性的问题。

但是，绝大多数的研究都只公布了研究的成果，而没有详细说明研究的背景、条件、实验数据、采用的方法和细节的处理，更不用说公布对电路结构和实验数据的具体分析了。

因而，对射频功率放大器如何实现更高的线性化程度和如何实现更高的效率这两个问题