射频功率放大器的研究与设计的硕士学位论文免费下载

　　射频功率放大器在雷达、无线通信、导航、卫星通讯、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用，是现代无线通信的关键设备。与传统的行波放大器相比，射频固态功率放大器具有体积小、动态范围大、功耗低、寿命长等一系列优点；由于射频功率放大器在军事和个人通信系统中的地位非常重要，使得功率放大器的研制变得十分重要。因此对该课题的研究具有非常重要的意义。

　　射频功率放大器总是要求在一定频率范围内输出一定的功率，同时满足系统的线性度和高效率要求。射频功率放大器总是工作在大信号状态下，它所用的放大器件和电路设计方法都不同于小信号放大器，导致了功率放大器的设计难度较大。

　　且前GaAs FET器件由于噪声低、效率高、线性度好等优点被广泛应用于射频功率放大器。本文讨论了GaAs FET有源器件的模型，利用S参数分析了射频功率放大器的增益和稳定性，详细讨论了阻抗匹配网络和偏置网络的具体实现，综述了射频功率放大器的几种主要设计方法。本文对射频功率放大器的研制包括：驱动级放大器和末级放大器的研制。设计软件采用Agilent ADS软件进行仿真设计，在选定合适的拓扑结构后，对放大器的静态偏置点、输入输出匹配电路进行仿真，通过应用小信号s 参数设计方法和非线性设计方法分别设计了驱动级和末级放大器，指出了设计过程中的一些问题。最后对该设计电路中的不足之处进行了分析总结。

　　射频功率放大器（RFPA）由于具有工作电压低、尺寸小、线性度高、噪声低等优点，广泛应用在卫星通信、移动通信、雷达和电子战以及各种工业装备中。随着无线通信和军事领域新标准新技术的不断发展，日益要求提高射频功率放大器的性能，使之在更宽频带内，具有更高的输出功率、效率和可靠性。例如在通信基站中，因为CDMA 基站采用四相相移键控（QPSK）技术，需要对多路载波同时放大，此时信号幅度将随时间剧烈变化，要求峰．均比达10～13 dB，所以要求PA具有较高的线性度；在第三代移动通信系统3G中，要求数据传输速率达到2M biffs，单个信号的带宽达5MHz，这就需要PA具有宽带特性；为了降低通信运营商的运营成本，减小冷却成本，易于热控制，就要求提高PA的效率；为了减小功率放大的级数和功率管的使用数量，以更低的功率进行驱动，降低成本，就要求提高放大器的增益；为了增加通信基站的覆盖范围，减小固定区域内所需要设置的基站以节约成本，同时减小电路的尺寸和重量，就要求提高PA的输出功率。所有的这些问题，对射频功率放大器的设计提出了新的要求。

　　近五十年来射频器件和射频技术的不断发展是推动射频功率放大器发展的两大因素。射频器件的发展使射频功率放大器的发展成为可能，射频技术的发展使射频功率放大器的性能不断得到提高。

　　1）在射频器件方面：1948年Shockley．Bardeen等人发明双极晶体管（BJT）及1952 年提出结型场效应管（JFET）以后，硅双极晶体管开始应用于射频微波领域，从而可以对从几百兆赫叫Ⅲ7）到Ka波段的信号进行放大；70年代以后，GaAs单晶及其外延技术获得突破，GaAs肖特基势垒栅场效应晶体管（GaAs MESFET）研制成功，由于GaAs 材料载流子迁移率高、禁带宽度大，从而使射频微波功率放大器具有高频率、低噪声、大功率等一系列优点。进入80年代，由于分子速外延技术和有机金属化学沉积技术的进展，超薄外延层的厚度及杂质浓度得以精确控制，使异质结器件迅速发展，由ALGaAs／GaAs或InP／InGaAs组成的异质结双极晶体管（HBT）相续研制成功，采用这些器件设计射频功率放大晶体管，使射频固态功率放大器的工作频率达到毫米波频段；到90年代，激增了多种新型固态器件，如高电子迁移管（HEm），假同晶高电子迁移管（PHEMT），异质结场效应管g-WET）和异质结双极管（I-mT），同时使用了多种新材料如InP，SiC及CaN等。这些器件能够对100GHz乃至更高频率的信号进行放大，而且在多数情况下可以运用MMIC技术。其中高电子迁移率晶体管（HEMT）的低噪声性能比场效应管更优越，运用这种器件设计成低噪声放大器，在c波段噪声温度可达 250K左右，广泛用于卫星接收；而PHEMT则用一个InGaAs薄层来作为沟道的材料，同时在AICaAs／InGaAs异质交界面上具有一个更大的不均匀导带，使其比HEMT能容纳更高的电流密度和跨导，从而可以在较宽的工作电流范围内保持更低噪声系数和更高增益，这激起了人们对设计高速、高频、低噪声、高增益的射频固态功率放大器的极大兴趣。以此同时，单片集成（MMIC）射频器件也在快速发展，这是一种可以在几平方毫米砷化镓（GaAs）基片上集成微波放大器电路的技术，其体积小，增益高，己越来越受到用户的青睐。

　　另外随着新型材料和工业技术水平的发展，无源器件的制造技术也得到不断革新，无源器件的尺寸不断减小，精度不断提高，大大降低了无源器件寄生参数在高频电路设计时所带来的影响。

　　21在射频技术方面：非线性是高功率放大器设计中的难点，但是，随着DSP技术和微处理控制技术的出现和发展，使得我们能够广泛地应用各种功率放大器线性化技术，如复杂的反馈技术和预失真技术来提高放大器的效率及线性度；功率合成技术的发展，使我们可以采用多个放大管输出高达几千瓦的功率：宽带技术使我们可以对带宽达几十个GHz以上的信号进行放大；以此同时，各种效率增强技术为我们提高功率放大器的效率提供了方便。

　　如今，通过采用新型的器件和新颖设计技术，人们己经开发出各种功率放大器来满足通信及军事上的需求。射频微波功率放大器由于其所具有的优点，在中小功率的应用领域已基本取代电真空器件，并在高功率应用领域逐渐成为电真空器件的有益补充，因而开展固态功率放大器具有十分重要的意义。

　　3）在电路设计方面

　　在射频晶体管设计思想发展的同时， 射频电路计算机辅助设计技术也得到了快速的发展。由于射频电路较难进行微调， 在技术性能要求比较严格的放大器中， 噪声系数， 工作频带， 增益平坦度， 输入输出驻波比等许多指标是相互联系，需要综合考虑，提高了设计难难度。借助计算机模拟仿真是最好的解决方法。

　　随着半导体技术的高速发展，计算机技术被应用到射频电路的设计领域，很多软件公司开发出了射频微波电路仿真软件。首先，这些软件集成了大量的有源和无源器件的数学模型，甚至可以对电路的器件进行三维模型仿真，借助于器件模型精度的不断提高和计算机运算能力的提高，设计者能在很短的时间内得到与实际非常接近的结果。第二，射频微波电路一般都需要很大的运算量，借助现代的CAD软件，可以很容易的完成这些复杂的计算，极大提高设计人员的效率。最后，通过CAD仿真，设计者能在计算机上得到电路的仿真结果，并能对电路的各项参数进行修改和优化，通过比较仿真结果就能选择一个最佳的电路方案，从而减少电路的调试时间，缩短产品的设计时间，提高企业的竞争力。

　　目前，国内外的很多公司已广泛采用CAD技术进行射频电路的仿真与设计，在高功率放大器中的有源器件模型非常复杂，目前它的精度具有一定的范围，设计时主要采用软件仿真指导加调试的方法。

　　随着人类社会进入信息时代，无线通信技术有了飞速的发展，尤其是射频微波通信技术的产生和发展无疑对无线通信技术的发展起到了决定的作用。高频电磁波具有一些频率低端无法比拟或无法实现的特点和优点，如微波、毫米波能够穿透地球大气电离层，实现航天通信，所以开发射频微波通信具有现实意义。频率高端中的微波频段是目前研究与应用的热点，这导致了射频有源电路研制的繁荣。在几乎所有的射频微波系统中，都离不开对信号的放大，射频放大器在有源电路中占据了突出的位置。

　　射频功率放大器的应用领域比较广泛，比如在雷达、通信、导航、卫星地面站、电子对抗设备中都需要它。如在有源相控阵雷达中，射频功率放大器就扮演着重要的角色。有源相控阵雷达的重要组成部分是T／R组件，T／R组件是系统成本高低的决定性因素之一，其性能的好坏将影响相控阵雷达系统的发现能力、作用距离等战术指标。在T／R组件的设计中一方面要求有高功率，同时还要求体积小、重量轻，可靠性高、成本低等。射频功率放大器作为T／R组件的重要组成部分，直接决定着上述技术参数：射频功率放大器还能制成固态发射机；在电子战中，射频功放可制成有源诱饵，避免飞机被导弹攻击：在通信中，射频功率放大器广泛用于小功率或低数据率终端，如射频功率放大器的效率就很大程度上决定着个人移动电话的通话和待机时间。总之，在需要对射频信号进行功率放大的设备中都离不开射频功率放大器。

　　与低噪声放大器相比，射频功率放大器除了要满足一定的增益、驻波比、频带外，突出的要求是高输出功率和高转换效率及减小非线性失真。

　　按照晶体管的使用材料不同，射频功率放大器可以分为硅双极性晶体管功率放大器，砷化镓场效应管功率放大器（MESFET）、边缘扩散场效应晶体管放大器 （LDMOSFET）、砷化镓异质结晶体管（HBT）和SiC FET。硅双极性晶体管广泛用于3GHz 以下的连续波和脉冲放大器中。硅双极性晶体管的上限频率主要受到硅半导体中载流子迁移率的限制，还受到晶体管各部分尺寸的限制，它的输出功率是由击穿电压、散热和放大器的工作类型所确定的。LDMOS FET也主要用于3 GHz以下的频率，它使用边缘扩散的工艺，较好地解决了双极性晶体管电流漂移和门限电压偏移的问题，还具有大的输出功率、较高的效率和良好的线性度。GaAs MESFET以其优良的高频特性和高可靠性，己广泛地应用于卫星通讯、电子工程、微波数字通讯等多种领域。GaAs 异质结双极晶体管在微波频率有可能取代功率MESFET，其特点是在高增益和高功率效率下，可工作在B类或c类。SiC有可能制造出用于高温大功率和高频范围的微波毫米波晶体管。

　　从元件集成度看，射频功率放大器可分为单片集成放大器和晶体管分离元件放大器。单片集成放大器是将输入输出匹配网络、直流偏置电路以及放大管管芯等都集成在一块很小的GaAs为衬底的芯片上面，因此它具有体积小、重量轻、可靠性高、成木低等优点，同时可以免去使用者再对输入输出匹配网络和静态工作点进行设计，从而节省了设计时间。一般设计好的单片集成功率放大器的输入输出阻抗是与50 Q相互匹配。由于匹配网络中L，c分别由金丝、金箔构成，其承受功率相对较小，而且由于体积小，直流消耗功率较大，管芯到元件表面的热阻大，因此单片集成功率放大器不适合大功率输出，它一般多用于大功率发射机的前级或驱动级。晶体管分离元件放大器是把匹配网络、管芯、偏置电路分开，单独的晶体管只是管芯加了一个封装，不包含其他电路。它一个显著优点是可以输出较大的功率，通常它的体积较大，使用者必须自行设计匹配网络和设置静态工作点。所以它一般多用于地面基站的大功率发射机的末级。晶体管分离元件放大器又分为单管功率放大器和平衡功率放大器，其中平衡功率放大器具有失配小、级问隔离度好、电路工作稳定、偶次谐波抵消好、易于调试等优点，多用于末级放大器电路中。

　　从放大器的工作状态可以分为A类，AB类，B类，c类，还有工作在开关状态的E类和F类放大器。其中A类功率放大器的线性度最好，线性放大器一般采用A 类或AB类工作状态，而B类，c类以及E、F类放大器的主要优点是提高放大器的效率。设计时一般根据放大器的各项指标综合考虑，如效率，线性度，输出功率，工作频率范围等要求，选择合适的器件类型并选用正确的电路形式来设计满足要求的功率放大器。