1、2.45GHz 低噪声射频功率放大器的设计2.45GHz 低噪声射频功率放大器的设计目 录1 引 言 .11.1 课题研究目的与意义 .11.2 射频功率放大器概述 .11.3 射频功率放大器的发展现状 .21.4 本课题的研究方法及主要工作 .32 射频功率放大器理论综述 .52.1 史密斯圆图 .52.2 S 参数 .62.3 长线的阻抗匹配 .72.3.1 微波源的共轭匹配 .72.3.2 负载的匹配 .82.3.3 匹配方法 .82.4 微带线简介 .82.5 偏置电路 .93 射频功率放大器的基本指标 .103.1 工作频带 .103.2 带宽 .103.3 噪声系数 .113.4
2、增益 .123.5 稳定性 .123.6 端口驻波比和反射损耗 .134 射频功率放大器设计仿真及优化 .154.1 设计指标及设计流程 .154.2 选取晶体管并仿真晶体管参数 .154.3 晶体管 S 参数扫描 .174.4 放大器的稳定性分析 .194.5 设计输入匹配网络 .214.5.1 匹配原理 .214.5.2 计算输入阻抗 .234.5.3 单支节匹配电路 .232.45GHz 低噪声射频功率放大器的设计4.6 设计并优化输入输出匹配网络 .25结 论 .30参考文献 .32致 谢 .3411 引 言1.1 课题研究目的与意义微波和射频工程是一个令人振奋且充满生机的领域，主要由
3、于一方面，现代电子器件取得了最新的发展；另一方面，目前对语音、数据、图像通信能力的需求急剧增长。在这一通信变革之前，微波技术几乎是国防工业一统天下的领域，而近来对无线寻呼、移动电话、广播视频、有绳和无绳计算机网络等应用的通信系统需求的迅速扩大正在彻底改变工业的格局。这些系统正在用于各种场合，包括机关团体、生产制造工厂、市政基层设施，以及个人家庭等。应用和工作环境的多样性伴随着大批量生产，从而使微波和射频产品的低成本制造能力大为提高。这又转而降低了大批新型的低成本无线、有线射频和微波业务的实现成本，其中包括廉价的手持 GPS 导航设备、汽车防撞雷达，以及到处有售的宽带数字服务入口等。通信技术在近
4、几年内的发展可以说是日新月异，每年都会有大量的新技术诞生并被应用到实践当中，而在这之中，无线通信技术的迅速成熟尤其引人注目。它不仅仅改变了我们的通信方式，更重要的是改变了我们的生活方式，最显著的表现就是无处不在的手机，它使人与人之间的联系更为密切也更加方便，使我们的社会变得更加的紧密，大大提升了世界的一体化进程，可以说手机已经成为我们生活中不可或缺的一部分了。而随着使用人群的快速增长与不断壮大，整个无线通信产业也进入了大规模高速率的发展阶段，在国民经济中的比重越来越大，推动着社会经济持续向前跨步，甚至于对整个社会的发展都有着不可估量的影响力 。1功率放大器作为无线收发系统中的最后一级，它在整个
5、系统中占有十分重要的地位，对于电池供电的功率放大器无线发射节点，对提高发射信号强度、延长系统使用时间、降低电源消耗、减小系统体积重量等起着关键性作用。1.2 射频功率放大器概述射频功率放大器的主要功能是放大射频信号，并且以高效率输出大功率为目的。它主要应用于各种无线电发射机中。射频功率放大器的输出功率范围，可以小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。射频信号的功率放大，其实质是在输入射频信号的控制下将电源功率转换成高频功率，因此除要求射频功率放大器产生符合要求的高频功率外，还应要2求具有尽可能高的转换效率。1.3 射频功率放大器的发展现状射频功率放大器由于尺寸小、线
6、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。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。例如为在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，获得较高的码片速率和频带利用率。现在通信系统均采用了QPSK、等线性调制技术，这些调制方法对功放的非线性特性非常敏感，因而对放大器有更高的线性要求，提高功率放大器的可靠传输，以避免对邻近信道的干扰，保证调制的窄带特性。这就要求射频功率放大器具有良好的线性。在第三代移动通信系统（3G）中，要求数据传输速率达到 2Mbits，单个信号的带宽达 5
7、MHz，这就需要射频功率放大器具有宽带特性；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，要求提高射频功率放大器的效率；为了减小功率放大的级数，减小功率管的使用，以更低的功率进行驱动，降低成本，这就要求提高射频功率放大器的增益；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，这就要求提高射频功率放大器的输出功率。为了满足以上各种应用需求，近 50 年来人们不断推动射频功率放大器的发展和进步。在这 50 年的发展过程中，射频器件及射频技术的发展是推动射频功 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
8、发展使射频功率放大器的性能得到提高。、射频器件方面 ：1948 年 Shockley.Bardeen 等人发明双极晶体管2(BJT) 及 1952 年提出结型场效应管(JFET)以后，硅双极晶体管应用于射频微波领域，从而可以对从几百兆赫(UHF)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，从而使射频功率放大器具有高频率、低噪声和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发展，超薄外延层的厚度及杂质浓度得
9、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)相继研制成功，采用这些器件设计射频功率放大晶体管，使射频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(HEMT)，假同晶高电子迁移管(PHEMT)，异质结场效应管(HFET) 和异质结双极管 (HBT)，同时使用了多种新材料如 Inp、Sic 及 CaN3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
10、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 薄层来作为沟道材料，同时在AlGaAs/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、低噪声和高增益的射频功率放大器极大兴趣。与此同时，单片集成(MMIC)微波器件也在快速发展，这是一种可以在几平方毫米砷化稼(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。、射频技术方面 ：由于 DSP 技术和微处理控制技术
11、的出现和发展，使7得我们能够广泛的使用各种功率放大器线性技术，如复杂的前溃技术和预失真技术 来提高放大器的效率及线性度。国内对功率放大器线性化技术研究已经4开始重视，东南大学、西安电子科技大学、电子科技大学、浙江大学和华中科技大学等院校己经开始了这方面的研究，华为、中兴等通信设备公司也进行了线性功放的研制并取得了一定的成果；功率合成技术的发展，使我们可以采用射频固态器件在射频频段输出高达几十千瓦的功率；宽带技术使我们可以利用射频固态器件对带宽达几十个 GHz 以上的信号进行放大如 ITS Electronic 公司推出的波段倍频程宽带功放模块提供 15W 的功率，同时产生 12 GHz 的瞬时
12、带宽和 12dB 的小信号增益。此功放模块工作于两种状态：A 状态为线性放大器，输出功率为 10w；B 状态典型效率为 55，输出功率为 15W。此功放输入输出驻波比小于 1.45，与此同时，效率增强技术为我们提高射频功率放大器的效率提供了方便。功率放大器发展至今，己经广泛的应用于军用、民用通信领域。现代通信的发展对带宽、线性和效率等指标提出了更高的要求。相应的功放研究也成了未来的趋势和热点。随着材料、计算机以及功放相关理论的进一步发展，可以预见指标更优的功率放大器不久将会出现，并服务于无线通信领域。1.4 本课题的研究方法及主要工作在课题期间，对射频功率放大器的多种设计方法进行研究，查阅了大
13、量的资料，深入了解射频功率放大器国内外现状和分析了射频功率放大器有关概念，认真学习了 ADS 仿真软件，掌握了射频功率放大器的一般设计方法。设计了一个在 2.45GHz 的频率范围内满足指标要求的应用于蓝牙耳机的接收机末端的射频功率放大器。4全文可以分为五部分。具体内容如下：第 1 部分为引言。首先简要介绍课题研究目的与意义与射频功率放大器的发展状况及研究趋势，最后介绍本文的主要工作和章节安排。第 2 部分为射频功率放大器理论综述。介绍了史密斯圆图、S 参数、阻抗匹配、微带线理论、偏置电路设计基础知识。第 3 部分为射频功率放大器的基本指标。分析了射频功率放大器设计需要注意的指标，为后面的具体
14、设计提供理论依据。第 4 部分为具体的设计过程，对每一部分的设计都进行了大量细致的工作，主要包括输入输出最佳阻抗的获得和匹配网络的具体实现，并对每级电路整体性能的优化实现给出了具体方法和步骤。第 5 部分为总结和研究前景的展望，分析了研究中的不足和思考，提出了一些有利于进一步研究的问题。52 射频功率放大器理论综述2.1 史密斯圆图PHSimth 开发了以保角映射原理为基础的图解。这种方法的优点是有可能在同一个图中简单直观地显示出传输线阻抗以及反射系数。反射系数(reflection coefficient) 能用下式的复数形式表达出来： 0(2-1)LjOiOrLejZ0其中 ， 是电路的负
15、载值, 是传输线的特性阻抗值，)/arctn(0rOiLL0Z通常会使用 50。图 2-1 等电阻圆和等电抗圆图 图 2-1 是史密斯圆图中的等电阻圆和等电抗圆图。图中的圆形线代表电阻抗力的实数值，即电阻值，中间的横线与向上和向下散出的线则代表电阻抗力的虚数值，即由电容或电感在高频下所产生的阻力，当中向上的是正数，向下的是负数。图表最中间的点(1+j0)代表一个已匹配(matched)的电阻数值( )，LZ同时其反射系数的值会是零。图表的边缘代表其反射系数的长度是 1，即 100% 6反射。有一些图表是以导纳值(admittance)来表示，把上述的阻抗值版本旋转180 度即可。根据上面介绍的
16、等电阻圆和等电抗圆图，能过简单有效的确定电路的阻抗，并进行阻抗匹配。利用史密斯圆图可以完成以下工作：(1) 读取阻抗、导纳、反射系数等常用的射频电路参数；(2) 进行传输线的匹配网络设计；2.2 S 参数在绝大多数涉及射频系统的技术资料和数据手册中，都用到散射参数(S 参数)。其原因在于实际射频系统不再采用终端开路、导线形成短路的测量方法。采用导线形成短路的时候，导线本身存在电感，而且其电感量在高频下非常之大，此外，开路情况也会在终端形成负载电容。另外，当涉及电磁波传播时也不希望反射系数的模等于 1，在这种情况下，终端的不连续性将导致有害的电压、电流反射，并产生可能造成器件损坏的振荡。 参数描
17、述了两端口入射功S率和反射功率之间的关系，而不是电压和电流的关系。应用 参数测量和校准都变得容易 。1描述一个系统被 和 激励， 、 和 、 分别表示输入和输出口的入1V21a21b2射波、反射波功率。假定系统是线性的， 参数定义为：S2V1V 2a1a S1b 2b图 2-2 二端口网络 S 参数（2-2）11212Sab式中 称为双端口网络的散射矩阵，简称为 矩阵，它的各个12S S参数的意义如下：7：表示 2 端口匹配，1 端口的反射系数；1bSa2短 匹 配：表示 2 端口匹配，1 端口到 2 端口的传输系数；212短 匹 配：表示 1 端口匹配，2 端口到 1 端口的传输系数；12b
18、Sa1短 匹 配：表示 1 端口匹配，2 端口的反射系数；21短 匹 配在射频与微波频段上，与端口的开路、短路条件相比，端口的匹配比较容实现，在端口匹配条件下进行测试也比较安全 。72.3 长线的阻抗匹配在低噪声放大器的设计中，阻抗匹配非常重要，它关系到系统的传输效率、功率容量与工作稳定性，关系到低噪声放大器的噪声特性的好坏。因此，阻抗匹配问题极其重要。阻抗匹配的目的是使源传递给负载最大的射频功率。一般而言，最佳的解决方案依赖于电路的要求，例如简单易于实现，频带宽度，最小的功率波动，设计的可实现性和可调节性，设定的工作条件，足够的谐波抑制等。由此得到很多类型的匹配网络，包括集总元件和传输线。本
19、文采用的是集总元件与传输线相结合的方法，并利用 Smith 圆图轨迹法作为工具。匹配包含两个方面的含义：一是微波源的匹配，要解决的问题是如何从微波源中取出最大功率；二是负载的匹配，要解决的问题是如何是负载吸收全部入射功率。这是两个不同性质的问题，前者要求信号源内阻与长线输入阻抗实现共轭匹配；后者要求负载与长线实现无反射匹配。2.3.1 微波源的共轭匹配阻抗匹配的目的是使源传递给负载最大的射频功率。一般而言，最佳的解决方案依赖于电路的要求，例如简单易于实现，频带宽度，最小的功率波动，设计的可实现性和可调节性，设定的工作条件，足够的谐波抑制等。由此得到很多类型的匹配网络，包括集总元件和传输线。本文
20、采用的是集总元件与传输线相结合的方法，并利用 Smith 圆图轨迹法作为工具。对于一个给定的微波源，其输出最大功率的条件是：在同一参考面上负载8的输入阻抗 与波源的内阻抗 互为共轭复数，这个条件称为“共轭匹配”。iZsZ需强调的是 与 必须对同一参考面而言，其中 为从参考面处向负载看去的s iZ输入阻抗， 为从参考面处向波源看去的输入阻抗 。42.3.2 负载的匹配在传输微波功率时一般都希望负载时匹配的，因为匹配负载无反射，传输线中为行波状态，这对于传输微波功率来说，主要有以下几点好处：1. 匹配负载可以从匹配源输出功率中吸收最大功率。2. 行波状态时传输线的传输效率最高。因反射波带回的能量和
21、入射波一样会在传输线中产生损耗，固有反射时的损耗功率增大，传输效率低。3. 行波状态时传输线功率容量最大。因在驻波状态时，沿线的高频电场分布出现波腹，波腹处的电场比传输同样功率时的行波电场高得多，因此容易发生击穿，从而限制了功率容量。2.3.3 匹配方法阻抗匹配的方法有二：一是在不匹配系统中适当加入无功元件，称为调配器，人为引入一个或多个反射并使之与原系统产生的反射相互抵消而达到匹配；二是两不匹配系统间加接一个阻抗变换器，其作用是化原不匹配系统内的大反射为多级的或渐变的小反射乃至最终过渡到匹配状态 。52.4 偏置电路在电路系统设计中，直流偏置电路系统是射频功率放大器运转的关键。偏置网络有两大
22、类型：无源网络和有源网络。无源网络(即自偏置)是最简单的偏置电路，通常由电阻网络构成，它为射频晶体管提供合适的工作电压和电流，但是这种电路的缺点就是对晶体管参数变化非常敏感，并且温度稳定较差。因为直流反馈总是要降低电压提供的功率，考虑到现在是低压工作，所以有效的反馈比较难。如果反馈根本不实用或不充分，就需要使用有源偏置，有源偏置网络能改善静态工作点的稳定性，还能提高良好的温度稳定性，但它也存在一些问题，如增加了电路尺寸、增加了电路排版的难度以及增加了功率消耗。低噪声放大器设计的第一步就是确定晶体管的静态直流工作点，偏置的作用是在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态工作点，并抑制晶体管的离散性以及温度变化的影响从而保持恒定的工作特性。
