[硕士论文精品]微波功率放大器的研究

摘要摘要固态功率放大器具有工作电压低、尺寸小、效率高、寿命长以及高可靠性等优点，已经十分广泛应用在移动通信、雷达、干扰、识别等射频微波毫米波系统之中，并且占有十分重要的地位。在第三代移动通信3G系统中，为了提高频谱的利用效率，调制方式多采用QPSK或16QAM等线性调制方式，而且系统又多是多载波、多信道，这就需要射频系统有很好的线性，否则就会产生失真。这种失真表现为常见的交调失真IMD失真，导致已调矢量信号的幅度和相位出现偏差，同时导致频谱扩展、干扰临道信号，误码率恶化等等。而功率放大器是射频系统中产生非线性的主要部件，因此改善功率放大器的非线性具有重大意义。目前，无线通信基站上所用的线性功率放大器，极大部分从国外进口，受国外制约严重，国内尚无成熟产品，迫切需要解决其国产化问题。针对现代通信系统对功率放大器高增益、高功率、高线性度的要求，本文对微波功率放大器及其线性化技术进行了研究，主要包括以下三个方面的内容1、研制了20瓦S波段微波固态功率放大器，对微波固态功率放大器设计方法进行了讨论，通过理论分析以及电路仿真软件的仿真，设计出了一个基于LDMOSFET的S波段20W四级级联固态功率放大模块，最终达到了以下几个技术指标工作频带为2110MH玉也170MHZ，增益大于56DB，增益平坦度为038DB，输入输出驻波比小于13，输出功率20W时的三阶交调系数低于40DBE。2、对微波功率放大器的线性化技术进行了研究，重点介绍了前馈技术和预失真技术。研制了一个结构简单、体积小巧的模拟预失真器，其结构包括由二极管对产生交调失真分量的非线性发生器、中心频率为214GHZ的功分器和功率合成器以及矢量调节器。该预失真器可以使本文中功率放大器的前级放大器的三阶交调系数有20DB的改善，达到了很好的线性化，具有一定的工程参考价值。3、此外，本文研究了一种自适应控制电路，介绍了该电路的自适应控制原理，对其中的部分器件如电调移相器、PLL频率源进行了设计和实验，并且对其他器件进行了商品型号的选择，获得了一定的阶段性研究成果。关键词微波功率放大器，LDMOS，非线性，模拟预失真ABSTRACTABSTRACTSOLIDSTATEPOWERAMPLIFIERSHAVEADVANTAGESSUCHASLOWDCSUPPLY,SMALLSIZE,HI业EFFICIENCY,HIGHRELIABILITYANDSOONTHEYHAVEBEENWIDELYUSEDINMOBILECOMMUNICATION,RADAR,JAMMINGANDIDENTIFYINGSYSTEMSANDPOSSESSANIMPORTANTSTATUSINORDERTOIMPROVETHEUTILIZEEFFICIENCYOFTHEFREQUENCYRESOULCE,MODULATIONINANNELSSUCHASQPSKAND16QAMARELINEARINTHETHIRDGENERATIONMOBILEEOMMTMIEATIONSYSTEMSWI也MULTICARDERANDMULTICHANNEL，THERFS，STEMSDISTORTIFTHEYARENONLINEAR砀EDISTORTIONINTERMODULATIONDISTORTIONRESULTSINENOL圆INTHEMAGNITUDEANDTHEPHASEOFTHEMODULATEDVECTORSIGNAL，ENLARGINGTHESPECTRUM，DISTURBINGTHEADJACENTCHANNEL，WORSENINGTHEERRORCODERATEANDSOONPOWERAMPLIFIERSARETHEMAINNONLINEARDEVICESINRFSYSTEMS，SOITSVERYIMPORTANTTOIMPROVETHELINEARITYOFTHEMINOURCOUNTRY,MOSTOFTHELINEARPOWERAMPLIFIERSUSEDINTHEWIRELESSCOMMUNICATIONBASESTATIONSALEIMPORTED，ANDWEMUSTRESEARCHANDPRODUCTTHEMINOUROWNCOUNTRYASSOONASPOSSIBLECONSIDERINGTHEDEMANDSOFPOWERAMPLIFIERSSUCHASHI咖GAILLHIGHPOWERANDHIGHLINEARITY,THISTHESISHASRESEARCHEDTHEMICROWAVEPOWERAMPLIFIERSANDLINEARITYTECHNIQUESANDITISMADEOFTHREEPARTS1ASBANDMICROWAVEPOWERAMPLIFIER、7LRI也20WOUTPUTPOWERHASBEENDEVELOPED,ANDSOMEMETHODSFORDESIGNINGPOWERAMPLIFIERSAREANALYSEDTHROUGHTHEORETICALANALYSISANDSIMULATIONINTHECOMPUTER,ASBANDMICROWAVELDMOSFETPOWERAMPLIFIERHASBEENDESIGNED111EAMPLIFIERHASFOURSTAGES、玩THSOMEMAINCHARACTERSICSASBDOWTHEWORKFREQUENCYBANDIS2110MHZ2170MHZ,THEPOWERGAINISMORETHAN56DB，THEGAINFLATNESSIS038DB，THEVSWRISLESSTHAN13，ANDTHEM3ISLESSTHAN40DBCWHENTHEOUTPUTPOWERIS20W2MTHESISALSOSTUDYSLINEARITYTECHNIQUESUSEDINMIEROWAVEPOWERAMPLIFIERS，PLACINGEMPHASISONTHEFEEDFORWARDTECHNIQUEANDPREDISTORTIONTECHNIQUESASIMPLESTRUCTUREDANALOGPREDISTORTER17LRI也CENTERFREQUENCYIN214GHZHASBEENDESIGNED,CONTAININGANONLINEARGENERATOR,ADIVIDER，APOWEREOMBMER,COUPLERSANDAVECTORIIMODULATORTHEEXPERIMENTSHOWSTHATTHEPREDISTORTERISABLETOIMPROVETHEIM3OFTHEFIRSTSTAGEOFTHEPOWERAMPLIFIERDEVELOPEDINTHISTHESIS20DBITPROVESTHEFOUNDATIONOFTHETHEORIESANDAREFERENCEVALUEFORGETTINGABETTERIMDJNLADDITION，ANADAPTIVECONTROLCIRCUITISRESEARCHEDANDITSPRINCIPLEISINTRODUCTEDSOMEMAINDEVICESOFTHECONTROLCIRCUITSUCH弱AV01TCOMMLPHASESHIFTERANDAPHASELOCKEDLOOPFREQUENCYSYNTHESIZERAREDCSI霉潮ANDEXPERIMENTED，ACHIEVEINGSOMESTAGGEREDOUTCOMEKEYWORDSPOWERAMPLIFIER,LDMOS，NONLINEAR,ANALOGPREDISTORTIONI独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名日期209彦年3月2F日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名亨P研、导师签名茏、言监1日期口口9年岁月21日第一章引言第一章引言11微波固态功率放大器的研究进展微波固态功率放大器具有集成度高、结构紧凑、可靠性高、噪声低、线性好等优点【11，在许多微波电子设备和系统中得到广泛的应用，如现代无线通信、卫星收发设备、雷达、遥测遥控系统、电子对抗设备以及各种工业装备。功率放大器在发射机中的典型应用如图11所示，其主要作用是将信号功率放大到发射所需的功率电平。发射天线图11功率放大器在发射机中的位置随着无线通信和军事领域新标准新技术的发展，日益要求提高微波固态功率放大器的性能，使之在更宽的频带内，具有更高的输出功率、效率、可靠性以及线性度。例如在无线通信系统中，为了增大基站的覆盖范围，减小固定区域内所需要设置的基站数以节约成本，要求提高功率放大器的输出功率；为了易于热控制，降低通信运营商的运营成本，要求提高功率放大器的效率在第三代移动通信3G系统中，系统采用了线性调制方式，需要对多路载波同时进行放大，此时峰均比可达10,13DB，信道载波间的频谱泄漏主要取决于功率放大器的线性，因此要求提高功率放大器的线性。为了满足以上各种应用需求，近几十年来人们不断推动微波固态功率放大器的发展和进步，在微波功率器件和微波功率放大器设计技术等方面取得了显著的进展。微波功率器件的发展使微波固态功率放大器的发展成为可能。1948年电子科技人学硕十学位论文SHOCKLY、BARDEEN和BRITTAIN等人发明硅双极晶体管BJT，从那时起，对它进行了持续不断的研究和改进，BJT是目前应用最广泛的半导体器件之一。就微波应用而言，硅微波晶体管主要在S波段以下使用，其优点是价格便宜、可靠性高，单管连续波输出功率在几百LVNZ频段高达250W【LJ。1952年提出了结型场效应管JFET，随后砷化镓肖特基势垒场效应管GAASFET应运而生。70年代以后，OAAS单晶及其外延技术获得突破，砷化镓金属半导体场效应晶体管GAASMESFET研制成功。3AASMESFET微波固态功率放大器具有高频率、低噪声、大功率等一系列优点。现有的功率GAASMESFET在S波段单管可产生80W的射频输出功率，其功率附加效率PAE口FFF达40，在勋波段功率输出有1W，而功率附加效率约为20【2】。进入80年代，由于分子束外延技术MBE和金属有机化学气相淀积MOCVD技术的进展，超薄外延层的厚度及杂质浓度得到精确控制，使异质结器件迅速发展，由AL3AASGAAS或INPINGAAS组成的异质结双极晶体管0ROT相继研制成功，采用这些器件设计的微波功率放大器能提供更高的增益、效率，具有更好的高频特性，可应用到毫米波段，且只需单极性电源偏置。到90年代，基于新电气结构的多种新型固态功率器件相继出现，如高电子迁移管HEMT，以及赝晶高电子迁移率晶体管PHEMT，异质结场效应管HFET，同时使用了多种新材料如INP、SIC、SIGE及3AN等，这些器件具有更高的工作频率和功率输出能力。用SIC材料制造的功率管的功率密度为SI和GAAS器件的34倍，文献【3】报道的SICMESFET射频功率密度可达到46WMM，功率附加效率可达657。基于GAAS材料的高电子迁移率晶体管HEMT和赝晶高电子迁移率晶体管PHEMT功率放大器具有相当高的频率特性，在K波段其功率输出能力达LWMM栅引4】，并广泛应用于宽带功率放大器设计中。在S波段及以下频段，边缘扩散金属氧化物晶体管LDMOS具有良好的射频性能，具有高效率、高增益及高线性。FRE岔SOALE公司设计的LDMOS单管输出功率高达270W，广泛应用于移动通信系统设计。在微波技术方面，由于微处理控制技术和DSP技术的出现和发展，使得各种功率放大器线性化技术得到广泛应用，如使用复杂的前馈技术和预失真技术来提高功率放大器的效率及线性度；功率合成技术的发展，使我们可以采用微波固态器件在微波频段输出高达几十千瓦的功率；宽带技术使我们可以利用微波固态器件对带宽达十几个GHZ以上的信号进行放大；与此同时，效率增强技术为我们提高微波固态功率放大器的效率提供了方便。此外，制造工艺的进步使微波单片集成电路MMIC快速发展，这是一种可以在几平方毫米GAAS基片上集成微波放大器电路的技术，其体积小、增益高，已越来越受到用户的青睐。2第一章引言如今，通过采用新型的微波器件和新颖的微波技术，人们已经开发出各种微波固态功率放大器来满足通信及军事上的需求。例如，AETHERCOMM公司推出的一款SIC功率放大器，工作频带为1呲5GHZ，增益为49DB，LDB输出功率15W，在40OC085OC增益波动为05DB，在高温工作状态下，平均无故障时间不会出现退变；在高功率输出方面，国内已研制出S波段16KW的固态发射机F51，工作频带为2729GHZ，脉宽为100脚，10占空比，由32个600W功率放大器合成，效率为21；SHUOGICHELA等人在KA波段研制的功率放大器【61，使用了GAASPHEMT功率管和MMIC技术，整块电路的面积为744MM2，典型小信号增益为21DB，LDB压缩点输出功率为33DBMGRANTAELLIS等人在W波段使用HBT制作的功率放大器【J71，在频率945GHZ处增益为85DB，输出功率为144DBM；在WCDMA通信基站中，功率放大器使用了线性化技术和效率增强技术后，在满足高线性度的前提下，效率已经由以前的10左右提高到30，大大降低了基站的运营成本。微波固态功率放大器由于其所具有的优点，在中小功率的应用领域正在逐步取代电真空器件，并在高功率应用领域中逐渐成为电真空器件的有益补充，因而开展微波固态功率放大器的研究具有十分重要的意义。12功率放大器线性化技术的发展概况现代数字通信系统对功率放大器的线性度要求非常高【8】这是因为为了提高频谱的利用效率，调制方式多采用QPSK或16QAM等线性调制方式，这些调制方式产生的信号是非恒定包络的调相信号，而且系统又多是多载波、多信道，这就需要射频系统有很好的线性，否则就会产生失真。这种失真表现为常见的交调失真IMD失真，导致已调矢量信号的幅度和相位出现偏差，同时导致频谱扩展，干扰临道信号，误码率恶化等等。而功率放大器是射频系统中产生非线性的主要部件，因此改善功率放大器的非线性具有重大意义。目前，无线通信基站上所用的线性功率放大器，极大部分从国外进口，受国外制约严重，国内尚无成熟产品，迫切需要解决其国产化问题。功率放大器线性化的技术受到广泛关注还有以下几种原因阴1出于对通信系统功率效率的要求，不能采用功率回退法来提高功率放大器的线性度。所谓功率回退法是指采用大功率管子，然后通过功率回退使之工作在线性放大区的方法。如果采用此方法，一方面降低了电源的利用率，增加了供电3电子科技人学硕十学位论文系统的能量消耗，给基站热管理带来了困难；另一方面不能充分发挥出功率管的潜能，增加了制造成本。2基带信号频谱有较大的动态范围。例如，在第三代GSM系统中，同时进入系统不同载波的电平之间可能有高达100DB的差别。3自适应天线系统的要求。发射机非线性导致波束带宽、旁瓣抑制、零位深度等一系列天线的性能指标变差。4动态信道分配技术要求发射机能工作于任何一个信道，最终要求采用宽带线性化的功率放大器。5以软件无线电为代表的新兴无线通信技术，从本质上要求线性、宽频的发射机技术。目前比较流行的线性化技术有前馈技术和预失真技术【31。前馈法稳定性好、线性度高，在同时使用DSP技术时可以降低功率放大器的三阶交调系数至70DBE，但系统复杂，成本高；预失真电路对线性度的改善程度中等，带自适应控制电路的预失真电路可以降低功率放大器的ACPR至64DBE，电路结构比较简单，成本低，有着很好的发展前景。13课题来源和主要工作本论文的任务之一是研制一款可用于WCDMA基站的输出功率大于20W的功率放大器模块，使其能够在基站中单独使用或者作为高线性功率放大器的主功放部分使用。设计包括前级放大器、驱动级放大器、末级功率放大器的仿真与设计；直流电源模块的设计；功放盒体的设计制作以及散热设计。功率放大器的主要技术指标如下工作频带2110MHZ2170MHZ输出功率_20W43DBM功率增益56DB增益平坦度05DB输入输出驻波比15三阶交调系数40DBE由以上技术指标可以看出，在功率放大器实现高输出功率、高增益以及良好的输入输出驻波比的同时，还要实现高线性，这给功率放大器的设计带来了很大的难度。主要有以下关键问题需要解决4第一章引言1高可靠性。功率放大器工作在高功率状态下，具有强烈的非线性，必须保证电路的稳定，良好的散热及良好的匹配，从而避免由于振荡及失配造成的功率晶体管烧毁，元件击穿等。2高增益。功率放大器需要56DB以上的增益，这需要多级放大器级联才能完成，因此不仅需要考虑各级放大器的设计，还要考虑各级器件的选择以及技术指标的分配，以及级联之后整个功率放大器的稳定性、线性、效率和噪声等。3高线性度。为了抑制谐波以及交调分量，特别是三阶交调分量，需要进行合理的直流偏置，选择合适的负载阻抗，输出功率进行功率回退等。4驻波比。功率放大器在高增益和高功率输出下，很难有较好的驻波比。较大的驻波比会使功率放大器工作不稳定，并且后级功率放大器的反射对前级放大器会有很大的影响。需要精心设计匹配电路或者加隔离器来降低驻波比。5工作温度。工作温度是影响功率放大器工作性能的一个重要因素，功放管的温度超过其最高结温则会丧失工作能力，而其静态直流电流也会随温度变化。因此要考虑对功率放大器进行良好的散热，并对其直流偏置电路进行温度补偿。6功率放大器的调试。调试是微波工作放大器设计的一个重要步骤，需要注意许多因素，比如防静电，避免造成过电压过电流，避免自激等，从而避免昂贵的功放管烧毁。本论文的另一个工作就是对功率放大器的线性化技术进行了研究。功率放大器的线性化技术主要有功率回退法、负反馈法、前馈法、预失真法【L】。功率回退法简单易行，但以牺牲效率为代价；负反馈法技术简单，但高频反馈环路的相移不好控制前馈法稳定性好、线性度高，但系统复杂，成本高；预失真电路比较简单，并适用于宽带系统。本论文研制了一款结构简单的预失真器，利用二极管对产生交调失真分量，该交调失真分量经过矢量调节器幅度调节和相位调节后，与有用信号合成，共同进入功率放大器进行放大，这样就达到了对有用信号预失真的目的。通过仿真和实验可知，这种模拟预失真器达到了较为理想的线性化效果。此外，本文还研究了一种自适应控制电路，分析了这种电路的自适应控制原理，对其中的微波器件和中频器件进行了研究，设计了电调移相器、PLL频率源，获得了一定的阶段性研究成果。14论文章节安排本论文的内容安排如下5电子科技人学硕学位论文第一章简要阐述了微波功率放大器及其线性化技术的发展动态，介绍了本课题的背景和主要工作；第二章介绍了功率放大器设计方法以及功率放大器线性化技术原理；第三章详细描述了本课题中功率放大器的实际设计考虑和仿真过程；第四章叙述了功率放大器的调试过程和测试结果，并对实验结果进行了分析；第五章给出了模拟预失真器的仿真过程以及测试结果，并研究了一种自适应控制电路；第六章对本课题所作的工作进行了总结。6第二章功率放火器设计方法及其线性化技术第二章功率放大器设计方法及其线性化技术微波固态功率放大器除需满足一定的带宽、增益、驻波比外，突出的要求是提高输出功率、效率以及减小失真。与小信号放大器不同，功率放大器通常工作在大信号的非线性状态，随着输入功率的增大，其非线性变得更加严重，因此设计时应考虑增益压缩、谐波失真和交调失真等非线性指标。同时，功率放大器所消耗的电流通常占整个系统所需电流的一半或者更多，设计时效率也是一个很重要的考虑。功率放大器的耗散功率很大，会使功率管和腔体的温度迅速上升，从而对功率放大器的增益、线性度、增益平坦度等性能均有较大的影响，因此需要良好的散热以及精确的温度补偿，这也是和小信号放大器一个较大区别之一。为了兼顾功率放大器的效率以及线性度，线性化技术是很必要的。本章首先介绍了功率放大器的设计方法，从功率放大器设计基本理论、电路设计、结构设计以及功率放大器相关技术设计进行了讨论；另外介绍了功率放大器的非线性特性及其线性化技术，主要分析了前馈技术和预失真技术。21功率放大器设计方法功率放大器工作在大信号非线性状态，小信号S参数分析法已不适用，只能作为一定的参考。为了能够准确地设计功率放大器，需要建立精确的功率管大信号模型，使用非线性分析方法对其进行分析，使功率放大器在增益、输出功率、驻波比、线性度等指标间达到最好的折衷；另外需要对功率放大器电路结构进行精心设计，保证腔体不会引起放大器的自激并有良好的散热。211功率放大器设计基本理论微波功率放大器电路设计和仿真主要基于有源器件的等效电路、能求解的设计方程和经验技术。近几十年，随着数值计算分析技术的发展和微波测试仪器性能的提高，功率器件大信号模型建立、负载牵引技术以及大信号S参数等方法都取得了很大的进展。2111大信号模型7电子科技人学硕十学位论文基于功率管的大信号模型设计功率放大器，可使用非线性分析方法，如谐波平衡法分析确定最佳负载阻抗和源阻抗，并可仿真功率放大器的非线性特性，缺点是建模有一定困难。建立功率晶体管大信号等效电路模型的方法很多，大多由选取的有效模型数据、CAD工具以及理论方法决定。从建立模型的方法来看，有以下几种常用的模型【4L1经验模型依据器件的S参数以及共源极直流或脉冲1V曲线，得到与实际数据相吻合的电气模型。2半经验模型利用非线性等效电路模拟有源器件的非线性，而等效电路中非线性元件特性利用经验公式来表征，公式中的参数和线性元件参数通过测量或计算机软件拟合来确定。该方法简单、准确、适于CAD技术。3分析模型模型中的线性与非线性元件参数利用解析公式，由器件的物理结构以及工艺参数计算所得，精度较差。功率晶体管的大信号模型由线性元件、非线性元件和寄生元件构成，模型中非线性元件的瞬态值由瞬态的电压函数表达式表示。图21所示为功率GAASMESFET器件的大信号等效电路模型。图中非线性元件为跨导GMLG，U,A圪，栅一源电容勺，栅漏电容C二C0蚴，吆，漏一源电容C，漏源电阻勉以及两个二极管DL和D，。Q为等效二极管，用来描述栅漏极间雪崩击穿效应；D，是势垒二极管，用它来表示栅源正向导通特性。图21功率FET器件非线性等效电路模型在ADS仿真软件中，可用功率管的半经验大信号模型基于谐波平衡法对功率管的非线性特性进行分析，如ANGELOV模型、STATZ模型、TOM模型等。很多器件商提供了功率器件的大信号非线性模型，可以将其内嵌至ADS软件中，从而可以很方便地对功率管进行非线性分析。第二章功率放大器设计方法及其线性化技术2112负载牵引技术负载牵引原理是把不同的负载接在功率放大器输出端口上，测量相应的增益、输出功率以及线性度等指标，用这些数据在阻抗圆图上描绘出负载阻抗的轨迹，从中选出满足增益、输出功率和线性度的负载阻抗。首先讨论一下功率放大器的增益匹配和功率匹配。图22中的实线和虚线分别代表一个功率放大器输出在最佳功率匹配和小信号共轭匹配时的功率输出曲线，可以看出，功率匹配下的饱和输出功率点C、1DB压缩点输出功率点B及最大线性输出功率点A，比增益匹配下的对应点C、B、AI均大2DB左右。由此可知，采用线性增益匹配的放大器的功率输出能力比器件的实际功率输出能力D、2DB，并不能充分利用功率器件。在实际应用中，采用最佳功率匹配的功率放大器通常比线性增益匹配放大器的功率输出能力大05,4DB。因此，在功率放大器设计中应首先考虑最佳功率匹配设计，通过负载牵引测量可得到较精确的功率负载特性。图22共轭匹配与功率匹配增益压缩特性图23负载牵引测量装置负载牵引测量装置如图23所示，测量方法是改变被测功率管的输出端负载电阻并测量、记录端接该负载时的输出功率。输入调谐电路对每个测量点的输入9电子科技大学硕学位论文匹配重新调整，使得输入端共轭匹配，以获得恒定的输入功率值；而输出调谐电路改变功率管的端接负载阻抗，功率计测量出不同负载阻抗值条件下的输出功率。所测得的负载牵引数据在SMITH圆图上为一系列等输出功率曲线，称为负载牵引曲线，该曲线表示了给定的端接负载阻抗时可得到的最大输出功率，在功率放大器设计中广泛应用【111。图2_4负载牵引测量曲线图24是一个10W功率管在27GHZ处的负载牵引测量曲线，最大输出功率点负载阻抗在曲线的中心，其阻值为635J695N，它与最佳负载阻抗磊叫相对应。最大输出功率点往外的第一条等输出功率曲线的功率值比输出功率最大值小05DB。负载牵引曲线与小信号条件下的等增益圆类似，某一输出功率值对应无穷多个负载阻抗，但因为非线性特性，曲线不是圆形。2113大信号S参数法大信号S参数可用来分析大信号非线性电路。具体说来，就是当电路处于大信号激励状态下，测量其二端DS参数，由该S参数对非线性电路性能进行分析。但S参数本身是线性参量，所以大信号S参数法是强迫非线性电路服从线性电路理论的一种方法。如果非线性不是很强，还是可以用它来设计功率放大器。它一般只适用于A类功率放大器的设计。获得功率MESFET大信号S参数的方法有两种。一种是测量的方法，它要求建立一套宽带测量系统；另一种方法是用计算机模拟功率MESFET大信号工作的情况，从而得到相应的大信号S参数。10第二章功率放火器设计方法及其线性化技术国外在基于大信号S参数设计功率放大器方面研究较多，如文献【坦】介绍了根据测量的大信号S参数设计出812GHZ的功率放大器。文献【13】提出了一种从大信号S参数最计算出最佳负载阻抗的方法，可直接从大信号得到等效的负载牵引数据，而功率管的增益压缩特性可从大信号足和足转换得到。2114负载线法有些器件商不提供功率管的大信号模型和负载牵引测量数据，通常唯一的设计数据是器件的小信号S参数和静态IV曲线。此时可用负载线法【14】近似确定大信号条件下的负载阻抗，即根据要求的输出功率和使用的漏源电压，参考FET器件的IV特性曲线，计算出管子的输出负载线，从而确定最佳输出阻抗的实部。根据MESFET器件的IV曲线计算最大射频功率输出时的负载线阻抗R的方法如图25所示。该方法设计简单，便于用CAD方法进行设计，可以针对最大输出功率优化输出电路，同时可优化输入电路得到最佳输入匹配和最大增益，该方法的局限是只对最大饱和功率优化，且只适用于A类和AB类工作状态功率放大器，并且无法计算谐波电平。但负载线法可为功率放大器设计提供较好的参考。A类工作最佳线性状态电流IMAXIMAXD2负载线偏置点RL2VBVSMAXPOUTLMAXVS4PDC场LMAX2E释VBYS2VBVS20V近似IMAX12IDSS近似电压榻占S，。笙。妒电压击穿区拐点电压偏叠电压电压商牙匹图25负载线阻抗计算212功率放大器电路设计微波功率放大器电路设计包括微波电路设计、直流供电电路设计、控制电路设计。其中，微波电路设计主要是完成功率管的输入输出匹配，使放大电路能够稳定、高性能地工作。直流供电电路要为功率放大器提供稳定的直流偏置，需要具有稳压、滤波、可调、温度补偿等作用。稳定可靠的直流偏置非常重要，对功电子科技大学硕士学位论文率放大器增益、线性度等指标均有很大的影响。控制电路主要完成电源控制、温度检测、各种故障检测、输出功率检测、输出驻波比检测等功能，保障功率放大器能够稳定、安全地工作。下面主要介绍一下微波电路部分和直流供电电路部分的设计。2121微波电路设计在微波电路的设计中，功率放大器需要在高功率、非线性状态下工作，其设计比小信号放大器复杂的多。通常功率放大器增益较高，必须由多级级联放大实现，这需要进行合理地分配增益，并且各级间需要有良好的级间匹配；功率管的输入阻抗和输出阻抗都很小，与50Q系统失配较大，这使得匹配变得困难；此外还要考虑功率晶体管的最大允许耗散功率这个因素，避免昂贵的功率晶体管因温度过高而烧毁。总之，对于功率放大器的稳定性、增益、输出功率、线性度、效率等指标间需要进行折衷考虑，以达到最优的整体效果。合理地选择功放管、正确确定放大器的工作状态、对放大器进行稳定性分析、精心设计匹配网络是设计微波功率放大器的关键。1选择合适的功放管。选择微波功率晶体管时，首先要考虑管子的使用频率、功率、耐压等性能参数，另外也需要考虑管子购买的难易程度和价格。管子的最大额定输出功率应大于所要求输出的功率，对最大允许的工作电流、最大耗散功率、最高允许结温、最大功率增益等均需留有余量。放大器的频率应在管子建议的工作频带内，同时还应考虑到管子的可靠性和参数的一致性以及抗冲击、抗疲劳等特性。2正确确定放大器的工作状裂11。微波功率放大器的工作状态主要由功率、效率、失真及放大信号的特性等要求来确定。不同的工作状态是根据导通角来划分的，导通角对应于一个信号周期内有电流流过负载的时间。当整个信号周期内晶体管都工作在它的放大区时，导通角为3600，这种状态称为A类放大；当输入信号很大时，为了提高放大器的效率和输出功率，晶体管工作在截至区，输出电流在输入电压的半个周期内流通，此时导通角为1800，这种状态为B类放大；而AB类放大器的导通角在1800与3600之间。A类放大器的优点是线性好、失真小、较好的噪声系数、在不同输出功率电平时的通带起伏小，缺点是效率不高，理论上仅能达到50，有较大的热损耗。B类放大器的效率比A类高，理论上可达785，但需要采用推挽结构才能提高其线性度，降低谐波电平。AB类放大器有较高的效率，线性也比较好，可靠性较高，不足之处在于其动态范围有限，在低射频输入12第二章功率放人器设计方法及其线性化技术时通带内起伏较大。实际应用中，A类放大模式常用于宽带和高频段微波放大器设计中，AB类工作模式虽然效率高，但较难实现良好的谐波终端吸收网络而不易于宽带功率放大器设计。另外，确定静态工作点时，除考虑效率外还应兼顾非线性失真的要求，如三阶交调失真就与静态工作点密切相关。选定的偏置点必须在器件的安全工作区内，即使功放管在最大功率输出时也不会烧毁。3放大器的稳定性分析。放大电路必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性，这一点对于功率放大器非常重要。功率放大器的不稳定性导致不希望有的寄生振荡，使输出信号失真，甚至烧毁功率管。图26给出了一般的单级功率放大器结构图和参数定义，通过S参数可以判定功率放大器的稳定性。对于一个有源二端口网络，根据其稳定性可分为两类一类是无条件稳定或绝对稳定；另一类是有条件稳定或潜在不稳定。所谓绝对稳定是指当信号源阻抗ZF和负载阻抗Z，为任何值时，放大器都能正常稳定的工作。源R硼硼出入F墨科1一R匹匹1RJH】H图26单级功率放大器参数定义绝对稳定条件可以用稳定性因子K判定K二咝二噬坐|L2IS,2是IIL墨。1220W43DBM功率增益56DB增益平坦度05DB输入输出驻波比15三阶交调系数40DBC32功率放大器设计方案由功率放大器的工作频率、增益、输出功率、应用场合等要求，该放大器可选用LDMOS功率器件来设计。LDMOS晶体管即横向扩散金属氧化物半导体晶体管【191，是为功率放大器而设计的一种改进型N沟道MOSFET。相比于其他类型的器件，LDMOS具有较高的功率增益、高可靠性、优良的热性能、良好的交调特性、低廉的价格，已经成为生产低成本基站功放的最佳射频功率器件。该功率放大器的增益要求至少为56DB，为了提高效率，应选用高增益的晶体管，尽可能减小放大器的级数。方案初步设想采用四级级联放大来达到如此高的增益。功率放大器要求输出20W的情况下，三阶交调系数低于40DBC，这就需要电子科技人学硕十学位论文功率放大器的输出功率相对于其IDB压缩点输出功率回退10DB左右。为了确保良好的线性度，各级放大器均回退10DB以上，根据这个原则来合理分配各级放大器的功率输出性能。根据各项技术指标综合考虑，最终确定功率放大器采用四级级联放大，设计框图如图31所示。其中，第一级和第二级属于小信号放大器，主要作用是提供足够的增益，这两级构成了前级放大器。末级功率放大器采用了平衡结构，使放大器在大信号输出状态下能够稳定地工作，并且得到良好的线性度和驻波比。在末级功率放大器输出端加了隔离器，用来减小外部负载变化对功率放大器的影响。末级功率放大器图31功率放大器原理框图33指标分配和器件选取功率放大器整体的基本框架确定后，就要进行各级放大器指标的分配，从而选取合适的器件。选取器件时，除了需要考虑其电性能指标外，还要考虑其价格、封装形式、购买难易程度等因素。应尽量选取性价比高、封装形式易于散热和焊接、在国内购买周期短的器件。末级功率放大器采用了平衡结构，输出端合成了两个功率放大器的输出功率。整体上功率放大器要求输出43DBM以上，则每个功率放大器要求输出40DBM以上，并且需要考虑功率合成器的插入损耗。而为了输出信号的三阶交调系数在40DBC以下，则每个功率放大器的LDB压缩点要高于40DBM的输出功率LODB以上，即50DBM以上。根据这个原则选取了FREESCALE公司的LDMOS管MRF5P21180H。这个管子的评估版电路的LDB压缩点达到了529DBM，达到了高线性度的要求。此外，在其双第三章微波功率放人器的研制载波WCDMA应用中，输出平均功率38W，峰均比为85DB时，其功率增益为14DB，功率附加效率为255，间距为10MTTZ的两载波的肼，为一375DBC，偏离载波5姗Z处的ACPR为41DBC。在180W连续波输出功率下，可以承受高达10L的驻波比。MRF5P21180H本身属于管芯功率合成，包括两个栅极和两个漏级。根据末级功率放大器的输出功率为43DBM，增益为14DB，可知驱动级功率放大器的输出功率要在29DBM以上，则其LDB压缩点要在39DBM以上。驱动级的线性度要求比末级功率放大器要高一些，这样驱动级功率放大器的交调失真对整体的失真影响才小。这里选取了FREESCALE公司的MRF21045功率管，其评估版电路的LDB压缩点达到了46DBM，可以保证信号在输入末级功率放大器前，有很小的失真。在MRF21045双载波WCDMA应用中，输出平均功率10W，峰均比为83DB时，其功率增益为15DB，功率附加效率为235，间距为10MTTZ的两载波的IM，为375DBC，偏离载波5MHZ处的ACPR为41DBC。在45W连续波输出功率下，可以承受高达51的驻波比。末级功率放大器和驱动级功率放大器提供了大约29DB的增益，因此在最后输出43DBM的情况下，前级放大器需要提供大约27DB的增益，并且输出功率为14DBM。考虑到此时输出功率较小，可以使用小信号放大器来实现。单级小信号放大器还是很难满足27DB的增益，因此用两级放大器级联来构成前级放大器。小信号放大器可以由MMIC放大器实现，小信号MMIC放大器成本低，电路结构简单，经过简单匹配后就可达到良好的驻波比。第一级MMIC采用了SIRENZA公司的SGA6486，第二级选用了WJ公司的AHL02。由两个MMIC器件的典型指标可知，把它们级联起来后，增益能够达到27DB以上，并且LDB压缩点输出功率均高于实际输出功率LODB以上，满足方案的要求。34LDMOS功率晶体管简介由于功率放大器的末级和驱动级均采用了LDMOS功率管，因此本节对这种功率管做一个简单介绍【20】【211。随着移动通信系统向第三代发展，基站功放对功率晶体管的要求也越来越高。近几年LDMOS器件发展异常迅速，已经成为射频功率半导体器件领域研究和开发的一个新热点。341LDOMS的基本结构特点P,FLDMOS是为射频功率放大器而设计的一种改进型N沟道MOSFET，它电子科技人学硕十学位论文具有横向沟道结构，漏极、源极和栅极都在芯片表面。源极一般由体内高杂质浓度通道与衬底底部相连接并接地。在沟道与漏极之间有一个低浓度的门一漂移区。LDMOS采用双扩散技术，在同一光刻窗口相继进行两次扩散，由两次杂质扩散横向结深之差可精确地决定沟道长度。沟道长度L可以做得很小且不受光刻精度的限制。在射频应用方面，与双极晶体管相比，LDMOS有很多优点由于在大电流范围的跨导保持较大并为常数，故线性放大的动态范围较大，并在较大输出功率时能有较大的线性增益；交调失真较低，这是双极晶体管所不能达到的。342LDOMS器件的优良性能LDMOS特殊的结构决定了其优良的性能由于LDMOS在工艺上易于实现亚微米的沟道长度，故跨导、漏极电流、最高工作频率和速度都较一般MOSFET有大幅度的提高；高阻漂移区的存在提高了击穿电压，并使漏源两极之间的寄生电容得以减小。另外，在正常工作时漂移区是全部耗尽的，因而栅漏之间的电容是很小的，这有利于提高频率特性。与其它极器件相比较，LDMOS具有如下一些优点1具有较高的功率增益。由于LDMOS管具有很低的源极电感，反馈电容和栅极电阻，因此在增益方面与双极管相比能提供更高的增益约高5DB，这样在设计功率放大器时就可以大大减少放大器的级数，使用的元件数可大大减少，占用印制板的面积减小，同时提高了整个电路的可靠性能。2具有高可靠性。LDMOS与双极型晶体管相比能够承受比它高出3倍的负载失配，即能够接受更高的反射能量而不损坏，从而提高了其可靠性。同时LDMOS还具有很高的过驱动能力，因此特别适合用于COFDM调制，传送具有高峰值功率的多载波数字信号。这种特性为我们将来调试放大器时候将会节约不少成本，因为对于这种微波固态有源电路，元器件大都是靠进口，费用很高，尤其是功率放大器，调试过程中往往由于失配这个因素而造成功率器件的烧毁或者性能降低，而LDMOS的这种较高的承受负载失配能力将大大减小器件烧毁的几率。3优良的热性能。LDMOS的源极经P一通孔与衬底相连接，芯片直接键合在封锁的热沉上，其间不用任何绝缘片，源电极与热沉接地之间有良好的电气接触，因而热阻很低。在双极晶体管中，芯片的集电极与热沉地之间必须用散热性能较好的绝缘片进行电气隔离。很显然，相比之下，LDMOS器件具有更32第三章微波功率放大器的研制为优异的热性能。另外，该器件还有一个很大的优点就是当漏极电流达到一定值时，电子迁移率将随着温度的升高而降低，进而导致漏极电流的减小。也就是说随着输出功率的增加，管子的漏极电流会呈现负温度系数变化趋势。因而它不存在热漂移的影响，大大提高了管子的热稳定性。4良好的交调特性。LDMOS功率管在一定的负载阻抗下，偏置在AB类工作状态时，。由于开启区和饱和区的交互作用，会使得功放在一定的输入信号范围内出现两个“拐点，即极小三阶交调点。如果根据实际需要，适当优化偏置工作点，就可以在既定输入信号下得到我们所需要的线性度较好的区域。实际上，在基站功放中，为了提高其工作效率并考虑到线性度，通常都将功率管偏置在AB类状态，LDMOS的这种特性为设计出高线性度的功放提供了依据。总之，LDMOS器件的性能比双极晶体管优越而价格却比GAAS器件低得多，硅LDMOS技术为性能价格比要求十分严格的个人通信系统基站提供了理想的低成本解决方案。LDMOS已经成为生产低成本基站功放的最佳射频功率器件，其必将使我们设计的大功率放大器的性能指标得到大大的改善。35功率放大器电路设计在确定了电路方案和器件后，下面进行功率放大器电路的具体设计，主要包括各级放大器的匹配电路的设计、直流供电模块的设计和屏蔽腔体的设计。各级放大器均制作在RF35微波介质基片上，该介质基片相对介电常数为35，厚度为082MM。各级放大器匹配电路的设计采用了ADS软件仿真，直流供电模块主要设计了LDMOS管的温度补偿电路，屏蔽腔体的设计采用了HFSS软件对其谐振频率进行了仿真，确保腔体的谐振频率在工作频带外。351前级放大器设计前级放大器设计的主要目标是提供足够的增益，并且有良好的输入驻波比。前级放大器由两级MMIC器件组成第一级为SGA6486，在工作频带2110姗犯170MHZ内增益为15DB左右，曰。彦为18DBM左右，输入回波损耗IRL可达20DB；第二级为AHL02，在工作频带内增益为135DB，异Z。为27DBM，输入和输出回波损耗分别可以达到一19DB和一15DB。两个MMIC都是采用单电源供电，因此供电电路比较简单。由于两级MMIC属于小信号放大器，因此使用S参数进行设计。在MMIC器33电子科技人学硕十学位论文件商的网站上找到与MMIC器件对应的S2P文件后，就可以在仿真软件中，将MMIC器件由其S2P文件代替，进行放大器电路的匹配设计。MMIC器件的输入端和输出端已经进行了内匹配，是绝对稳定的，只需少量匹配电路或者无需匹配，即可达到良好的输入输出驻波比。第一级MMIC放大器SGA6486只需加上偏置电路和隔直电容即可。偏置电路中的电阻耽。和供电电源矿可以有不同的取值，但都要保证输出端的静态电流为75MA。实际电路中选取了咫油为20Q，K为65V。在ADS中，SGA6486的电路如图32所示。第二级MMIC放大器AHL02的输入端需要进行简单的匹配，直流偏置电路中无需分压电阻，供电电压为9V。在ADS中，AHL02的电路如图33所示。翌M_盟C翱K州16删8咿LO翟融嘲T脯日TTW瑚阱脯哪越妒，图33AHL02仿真电路图考虑到两级MMIC放大器在同一个腔体中，为了减小两级MMIC间的相互影响，在两级放大器之间加上了一个隔离器，以使整个前级放大器工作稳定。选用了一款专门用于WCDMA的隔离器，该隔离器可承受最大的平均功率为10W，插损为06DB，隔离度为15DB，输入输出驻波比为15，体积很小，为5MM5MM2MM。将SGA6486、隔离器和AHL02级联后，就构成了前级放大器。使用S参数防真器进行仿真和优化，最后得到的仿真结果如图34所示。由仿真结果可见，前级放大器的增益在28DB以上，输入驻波比小于13，同时输出驻波比小于15，达到了预期的要求。第三章微波功率放人器的研制、。FREQ。GHZ17CVR势7T71111、211212213214215218Z17佃，GHZA增益仿真结果B输入输出驻波仿真结果图34前级放大器仿真结果352驱动级功率放大器设计驱动级功率放大器和末级功率放大器均使用了FREESCALE公司的LDMOS管。在ADS中，可以使用FREESCALE公司提供的大信号非线性模型进行仿真，该模型充分考虑了LDM