高功率放大器设计

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1、高功率放大器1、用途及特點在無線通信系統，高功放（HPA）是發信電路重要組成部份。通常，它由多級放大器構成，其輸出端是發射鏈路最高電平點，它經雙工器與發射天線連接。HPA在發信電路部位如圖1所示。MIXRFMODBPFHPAMULBB發射天線圖1aHPA在發射機位置RFLNABPFHPAMULRF發射天線圖1bHPA在直放機位置DRI高功放主要作用，是在發射頻率上，將低電平信號放大到遠距離傳輸所要求的高功率電平。因頻段、傳輸距離、天線增益、信號調製方式等因素，不同發射機HPA輸出功率差異甚大。在常用微

2、波頻段（800MHz~28GHz）可從幾十瓦到幾十毫瓦不等。高功放電路特點：（1）在大容量（或多載波）數位通信系統，設計HPA電路尤其是末級電路，常發生大功率輸出與線性要求之間矛盾。經常採用三種解決辦法*採用平衡放大電路，其合成輸出功率較單管增加一倍且保持單管線性。在常用微波頻段經常用下圖所示正交混合電路（或3dB橋）實現功率合成。ADummyloadRFOutputAQuadratureHybrid*採用預失真補償電路，設計一個預失真網路使它産生的三階互調與HPA7三階互調在輸出合路器中相互抵消。構

3、成方式如下圖所示，A互調産生相位、幅度調整分支分支A予失真補償電路設計複雜、帶寬窄，使用不普遍。*在HPA前級設置自動電平控制（ALC）電路，通過末級輸出耦合檢波直流，控制PIN衰耗，保持輸出功率恒定。防止因前級輸入電平過高因飽和失真。該方法只能予防失真而不能改善失真，直流放大比較PIN衰耗器RF檢波（注：ALC與大容量長距離數位元微波採用的ATPC不同，前者是以保持發射機輸出功率恒定，防止失真爲目的，採用的是開環控制方式。而自動發射功率控制（ATPC）是發射機功率受控於對端接收電平，當電波傳播發生深

4、度平衰落時，提高發射功率，最大可達到額定功率。在正常傳輸時間裏使發射功率小於額定功率10dB。採用的是閉環控制方式。是以減輕幹擾、抗平衰落爲目的。）（2）HPA採用的大功率器件都呈現極低的輸入、輸出阻抗，其阻抗實部絕對值很小，都在1~3歐姆左右，而容抗和引線電感很大。對這樣的大功率器件進行輸入、輸出和級間匹配非常困難。因單片微波積體電路（MMIC）技術的發展，許多廠家已製造出輸入輸出內匹配的大功率器件，大大地緩解設計難度。（3）HPA輸出級必須要考慮空載保護。若與輸出負載間發生嚴重失配（如，連接天線饋

5、線開路或短路）末級與輸出負載電路之間將産生大駐波電壓，駐波峰值電壓一旦落在器件漏極，它與供電電壓疊加將使器件擊穿。在微波頻段常採取二種保護方法，在4GHz以上頻段借助於輸出隔離器中的反向吸收負載R吸收反射波，它如下圖所示，反射波主波吸收負載R=50ohm去天線反射波检波iso.cou.outin.定向耦合器去告警和保护电路比较电压去ALC检波去天線在低頻段常用定向耦合器（Diectionalcoupler）檢測反射波，超出定值時自動切斷功放電源並發出告警。工作示意圖如下設計工程師可根據工作頻率、電路結

6、構選取分佈參數或集中參數定向耦合器。（注：定向耦合器是互易器件，當信號從原規定的“IN”口輸入改爲“OUT”口輸入時，其耦合口“COUP”和隔離口“ISO”也將互換。定向耦合器常用二個參數表徵如下：耦合量CdB=10log(Pco/Pin)方向性DdB=10log(Pco/Pis)其中Pin,Pco,Pio分別爲入口輸入功率、耦合口及隔離口輸出功率。）7-48VDC/DC过压保护栅压电路漏压电路延迟开关Vd-Vg（4）目前在HPA電路常用高頻大功率砷化鎵場效應電晶體（GaAsFET）或者用其管芯製作的

7、MMIC“放大塊”，開關機時，如柵偏壓稍遲後於漏壓或無柵壓時即會損壞。因而偏置電路要有保護措施，下圖爲保護措施之一。根據所用器件，高功放大致可分成三種類型：*矽雙極電晶體（SiBipolarTransistor）功率放大器。在大功率放大時，單管增益及效率低，帶寬窄，線性及反向隔離差，它通常用於3GHz以下頻段，其優點是便宜和不需負偏壓。但目前已逐漸被場效應電晶體功放所代替。*砷化鎵場效應電晶體（GaAsField-EffectTransistor）功率放大器。它包括由砷化鎵場效應電晶體管芯製成的內匹配

8、單片微波積體電路（MMIC）。這類器件工作頻率及效率高，線性及反向隔離性能都優於矽雙極電晶體，目前商用化器件最高工作頻率可達40GHz,實驗室可達80GHz。尤其內匹配MMIC集成功放塊帶寬寬、穩定得到普遍應用。需要負偏置及偏置保護電路是缺點。*砷化鎵異結質雙極電晶體（GaAsHeterojunctionBipolarTransistor）功率放大器。這種器件特別適宜功放應用，它有砷化鎵場效應電晶體一樣好的性能（特別在線性和高耐壓性能上更好些），同時它又