浅谈射频放大器下的RF原理及其结构

　　射频放大器

　　射频功率放大器（RF PA）是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。

　　分类及用途

　　射频功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。

　　技术参数

　　放大器的主要技术指标：

　　（1）频率范围：放大器的工作频率范围是选择器件和电

　　路拓扑设计的前提。

　　（2）增益：是放大器的基本指标。按照增益可以确定放

　　大器的级数和器件类型。G（db）=10log（Pout/Pin）=S21（dB）

　　（3）增益平坦度和回波损耗

　　VSWR《2.0orS11，S22《-10dB

　　（4） 噪声系数：放大器的噪声系数是输入信号的信噪比 与输出信号的信噪比的比值，表示信号经过放大器后信号质量的变坏程度。NF（dB）=10log［（Si/Ni）/（So/No）］

　　射频放大器的功率参数

　　现代的无线通信中，射频设备的使用相当普及，而射频放大器在设备中起粉至关重要的作用，放大器中有关功率参数的测t也引起相当的重视，而在实际的研发生产中对功率参数的理解和应用存在一定的误解，下面就一个放大器的特性来说明相关功率参数的含义和应用 。

　　在描述一个放大器时，基本的参数有增益和最大输出电平（功率）。为对增益有较为准确的描述，引人线性特性的参数来衡t，通常用ldB压缩点对应输人功率和线性垠小输人电平来表示，两者之差就是放大器的输人动态范围。对于ldB压缩点，在GSM直放站标准YD汀952一1998中是这样描述的：ldB压缩点输出功率是指放大器在增益下降ldB时，对应此时的输人功率，用图示方法表示是指当时的实际输出功率比理想的线形放大器对应的输出功率小ldB 。

　　为进一步描述线性度。还有一个指标就是增益步长误差，表示的是当输人变化单位信号强度时输出是否也变化相同的大小 。

　　一个实际的放大器，由于物理特性和噪声的影响，当输人电平太小时不能保持有线性状态。因此引人最小输出电平的概念。通常认为输出比噪声电平高3dB时对应的输人电平为最小输人电平。放大器的输出噪声功率为：P=kTBGF 。

　　

　　低噪声放大器

　　低噪声放大器（LNA）被用来将天线收到的微弱的无线蜂窝信号，放大到混频器所需要的幅度。如果低噪声放大器损坏，通常会造成手机接收信号差的故障。

　　低噪声放大器通常又称为前置射频放大器，前置射频放大器是移动通信接收机最常用的一种小信号放大器，由于此类放大器常用低噪声器件来实现，故又称为低噪声放大器。

　　在第一级高频放大电路设置低噪声放大器可以改善接收机的总噪声系数，同时高频放大器可防止RXVCO信号从天线路径辐射出去。如图所示的是一般LNA的两种形式（参见三极管部分）。

　　双工滤波器的输出信号被送人低噪声放大器放大。Q1、Q2与周边元件构成一低噪声放大器，这是一个带负反馈的共发射极电路，又是一个宽带放大器，它用以对微弱的射频信号进行放大并弥补射频滤波器带来的插入损耗。在上图中，Q1的发射极旁路电容C3对该放大器的增益影响很大，它可减小R4对信号的负反馈影响。该电路中，Q1的直流工作点主要由R1和R2决定，属固定分压偏置。在上图中，Q2的直流工作点由R6、R5决定，为集电极反馈偏置，同时R5也是负反馈元件，C5和R7的作用与图中的C3、R4一样。实际上，Q1、Q2电路是一个宽带高频小信号放大器。

　　对这一位置的高频放大器中的三极管，要求其截止频率高，放大倍数大，噪声系数小。第一级信号很小，工作点通常设得比较低，同时加人电流负反馈，则可以减小噪声。

　　前面我们讲到的是一些分离元件的低噪声放大电路。在实际工作中，还常会遇到低噪声放大电路被集成在一块芯片中的情况。

　　放大器中的噪声是由放大器中的元器件（包括管子、电阻等），内部载流子的不规则运动引起的。它主要是电路中电阻的热噪声和三极管（或场效应管）内部噪声，这些噪声实际上是杂乱的无规则的变化电压或电流，故称为起伏噪声，起伏噪声的频率成分非常丰富，它的能量连续分布在很宽的频率范围内。而放大器内部噪声主要有热噪声、散弹噪声、分配噪声和闪烁噪声等。

　　混频电路

　　混频电路又叫混频器（MIX）是利用半导体器件的非线性特性，将两个或多个信号混合，取其差频或和频，得到所需要的频率信号。在手机电路中，混频器有两个输入信号（一个为输入信号，另一个为本机振荡），一个输出信号（其输出被称为中频IF）。在接收机电路中的混频器是下变频器，即混频器输出的信号频率比输入信号频率低；在发射机电路中的混频器通常用于发射上变频，它将发射中频信号与UHFVCO（或RXVCO）信号进行混频，得到最终发射信号。混频器是超外差接收机的核心电路，如接收机的混频器出现故障，则无接收中频输出，造成手机无接收信号、不能上网等故障。

　　1．晶体管混频器

　　晶体管混频器有多种电路形式。其中双极型晶体管混频器可在共发射极电路基础上构成，信号和本振信号由基极输入，或信号由基极输人、本振信号由发射极输人。两信号由基极输人的电路输入阻抗高，对本振而言，负载轻。

　　2．二极管混频器

　　二极管混频器尽管存在损耗，但其噪声及杂波输出比晶体管混频器要少。诺基亚的GSM手机多采用这种混频器

　　3．集成混频器

　　在早期的手机中，有的混频器单独使用一个集成组件，如今手机中的混频器多被集成在一个复合的射频处理或中频处理模块中

　　要寻找混频电路就需掌握手机框架结构， 在手机接收机电路中，如看到射频信号与VCO信号输人到同一个电路，则这个电路应是混频电路（这就要求能辨别RXVCO电路）。同时掌握MIX等英文缩写，以便于识别电路

　　中频放大器

　　接收机的中频放大器主要是将混频器输出的信号进行大幅度提升，以满足解调电路的需要。接收机的主要增益也来自中频放大器，中频放大器损坏常会造成手机接收差的故障。

　　移动通信接收机均要使用中频放大器。中频放大器最主要的作用是：

　　获取高增益：与射频放大部分相比，由于中频频率固定，并且频率较低，可以很容易地得到较高的增益，因而可以为下一级提供足够大的输人。

　　提高选择性：接收机的邻近频率选择性一般由中频放大器的通频带宽度决定。

　　对于中频放大器，不仅需要得到高的增益、好的选择性，还要有足够宽的通频带和良好的频率响应、大的动态范围等。而接收机的邻近信道选择性一般由中频放大器的通频带宽度决定，由于中频信号为单一的固定频率，其通频带可最大限度地做得很小，以提高相邻信道选择性。在实际工程上，一般采用多级放大器，并使每级实现某一技术要求，就电路形式而言，第一级中频放大器多采用共发射极电路，最后一级中频放大器多采用射极输出电路。不论接收机采用一次或二次变频技术，中频放大器总是位居下变频（即混频）之后。

　　为避免镜频干扰，提高镜频选择性，接收机通常采用降低第一本机振荡频率、提高第一中频频率和多次变频的方法，使信号频谱逐渐由射频搬移到较低频率上。

　　分离元件的中频放大器电路形式与低噪声放大器的电路形式很相似，也是一个共发射极电路，只是它们工作的频点不一样。

　　摩托罗拉手机中通常使用分离元件的中频放大器，其他手机的中频放大器通常都是在一个集成电路中。下图是一手机的中频放大器：

　　中频放大器的电路形式与低噪声放大器的电路形式差别不大，但它们工作的频段不同。低噪声放大器是一个宽带放大器，而中频放大器是一个窄带放大器。中频放大电路的信号通路和偏压、电源的查找与低噪声放大器的方法一样，读者可自行分析。

　　在集成的中频放大器中查找信号通道等相对困难些，它不是一个单一的电路，通常存在于一个复合电路中，尽管如此，它总是有规律可寻的。从手机的电路结构知识可以知道：中频放大器总是置于混频后，所以只要掌握混频电路，则较容易找到中频放大器。

　　解调电路

　　接收机的解调电路是把包含在接收中频信号中的语音信息或各种信令信息还原出来，得到中心频率为67.707kHz的RXI/Q信号。在接收机电路中，解调电路输出的RXI/Q信号是检修接收机电路的一个关键信号。

　　在移动通信中，常用的解调技术有锁相解凋器、正交鉴频解调器等

　　PLL（锁相环）可以跟踪输人信号，它可以用作解调锁相解调器的方框图。手机采用的就是锁相解调器，有的锁相解调器中鉴相器的参考频率由216Mz的振荡器提供，有的锁相解调器的参考信号则来自430MHz的振荡器。鉴相器通过对输入的两个信号的相位比较，输出一跟踪调制信号的低频信号，通过低通滤波器滤去高频噪声，即得到解调输出

　　下图为正交鉴频器的原理框图。在正交鉴频器中，相移网络将频率的变化变换为相位的变化，乘法器将相位的变化变换为电压的变化。将调频信号与其移相信号相乘，通过低通滤波器将乘法器的输出信号中的高频成分滤出，就得到了解调信号。通常，在现代的通信设备的电路中，除正交线圈外，鉴频器的其他电路均被集成在芯片内。

　　需注意的是，这里所说的解调，是指接收射频电路中将包含信息的射频或中频信号还原出67.707kHz的基带信号的解调（针对GSM手机而言）。在逻辑音频电路中还有一个解调——GMSK的解调，它是将67.707kHz的信号还原出数码信号。

　　振荡电路

　　在电子设备中，振荡器的用途极为广泛。振荡电路的种类很多，按其工作原理，可分为反馈型振荡电路、负阻型振荡电路、多谐振荡电路（张弛振荡）；按使用元件，又分为IC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器等。

　　按需要，振荡器可产生正弦波、脉冲波等。振荡器以放大器为基础，引入正反馈即可得到振荡电路如图所示。产生振荡的条件有两个：正反馈和环路增益为1。

　　LC荡器

　　把只由L和C构成的反馈电路称为LC振荡器。LC振荡器有调谐型和三元件型。它们包括集电极调谐型振荡器、基极调谐型振荡器、发射极调谐型振荡器；三点式的有，电容三点式振荡器和电感三点式振荡器。

　　RC振荡器

　　把由R和C构成的反馈电路称为RC振荡器，RC振荡器有电桥式和移相式。移相式又分为HP型和LP。HP是High Pass的缩写，即反馈电路由高通滤波器构成。LP是Low Pass的缩写即指反馈电路由低通滤波器构成。

　　图为RC移相振荡电路，通常用于频率需求较低的情况下。无绳电话中的导频的产生、呼叫信号的产生多采用这种电路。可调电阻R5用于调较振荡频率。右图为维恩电桥振荡器

　　晶体振荡器

　　在移动通信中，移动台需要能够根据实时分配到的话音信道改变自己的工作频率，这就要求必须有足够精度、稳定性好的频率合成器。而且随着通信技术的发展，对频率的稳定性和准确度的要求越来越高。在移动通信中，为了减少移动台之间或与基站间的相互干扰，常常要求频率稳定度优于10-5。而RC和LC都难达到这个精度。

　　只有高精度、高稳定性的振荡才可以减小因频率偏移而造成的邻近信道干扰。

　　石英晶片具有压电效应，能做成谐振器，且晶片本身的固有机械振动频率只与晶片的几何尺寸有关，其振动频率可以做得非常精确稳定。利用石英晶体振荡器可把振荡频率稳定度提高几个数量级。

　　在石英晶片的两面镀银，引出电极，然后封装在由金属或胶木、玻璃等材料制成的外壳里就得到晶体振荡器。石英晶体可以用人工合成，也可将天然晶体切割成晶片。

　　晶体用于振荡电路的形式较多。诺基亚2110的DSP（数字语音处理器）时钟振荡器为其中的一种，它构成射极跟随器，也被称为萨巴罗夫电路。

　　虽然晶体振荡器的振荡频率稳定，但由于某些客观因素的影响，使频率稳定度变差。晶体振荡器的频率稳定度主要受三种因素的影响：

　　1、是负载效应。减小负载效应一般是加隔离器，如射极跟随器等。2110的DSP时钟振荡器为射极输出，其带负载的能力就比较强，但为提高稳定度，其后还加了一级射极输出器，并采用变压器耦合加以隔离。下图就是一个射极输出的晶体振荡电路。

　　2、是推频效应。所谓推频效应，即由于供电系统条件发生改变，致使振荡电压源和电流发生改变、振荡器件的工作参数发生改变，最终使振荡器出现频率漂移。所以对其电压源要求较高，在移动电话内一般均使用专门的、比较精确的电源。如摩托罗拉168手机的VCO电源就通过了两次稳压。在诺基亚232和摩托罗拉168手机的发射接收VCO电路中，为了使振荡管具有较稳定的偏置，除了采用高精度的稳压电源外，还采用了固定分压偏置的共发射极电路。

　　3、是温度效应。晶体振荡器受温度的影响比较大，一般采用温度补偿或将振荡器放入恒温环境中来解决，温度补偿法包括模拟温度补偿、数字温度补偿及模拟—数字温度补偿法二大类。温度补偿电路有电容补偿电路及热敏网络补偿电路；电容补偿方法简单，但补偿范围较窄，一般在0～50℃之间，补偿精度一般可达到±5×106。而热敏网络补偿电路则用得较多，其补偿范围宽，在-40～70℃之间，补偿精度可达到±0.2×106。其原理图如图1-34所示。利用热敏网络给变容二极管提供一个随晶体工作环境变化的反向偏压，通过变容二极管电容的变化来补偿晶体振荡器因温度而导致的频率漂移。

　　在实际的移动电话电路中，目前多使用温度补偿压控振荡器组件（VCTXO）。如诺基亚232的14.85MHz振荡器和摩托罗拉168的16.8MHz振荡器，它们被封装在一个金属外壳里，与外界环境隔开。前者为接收发射VCO及PLL锁相环电路提供基准频率；后者既为射频电路提供基准频率，又为逻辑电路提供时钟信号。