超寬帶功率放大器概述

王行建（中國電子科學(xué)研究院，北京，100041）

超寬帶功率放大器概述

王行建
（中國電子科學(xué)研究院，北京，100041）

超寬帶功率放大器是通信系統(tǒng)的重要組成部分。本文闡述了功率放大器的分類和主要參數(shù)，簡(jiǎn)要介紹了超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)，并介紹了國內(nèi)外超寬帶功率放大器的最新研究現(xiàn)狀。

超寬帶功率放大器；設(shè)計(jì)；現(xiàn)狀

1 功率放大器的種類和主要參數(shù)

甲類(A類)放大器是所有類型功率放大器中線性度最高的，電流的導(dǎo)通角為360度，但其效率非常低，在理想狀態(tài)下效率僅為50%，實(shí)際電路中在30%以下，適應(yīng)于小信號(hào)小功率放大。

乙類(B類)放大器電流導(dǎo)通角為180度.其效率在理想狀態(tài)下可達(dá)78%，實(shí)際電路中效率小于60%，乙類適應(yīng)于大功率工作狀態(tài)。

甲乙類(AB類)特性介于甲類和乙類之間，電流導(dǎo)通角大于180度但遠(yuǎn)小于360度，一般情況下其效率在30%-60%之間。

丙類(C類)放大器電流導(dǎo)通角小于180度。丙類適應(yīng)于大功率工作狀態(tài)。其輸出波形是為周期性脈沖，必須并聯(lián)LC濾波器后，才能得到所需要的正弦波。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是這幾種中最高的。功率放大器多采用丙類放大器的形式。在理論上，C類放大器的效率可以達(dá)到100%，實(shí)際電路中約為60%。

丁類(D類)放大器和戊類(E類)放大器功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，其原理是將功率元件作為開關(guān)使用，并借助輸出級(jí)的濾波及匹配網(wǎng)絡(luò)使輸出端得到完整的輸出波形。丁類放大器的效率高于丙類放大器，理論上可達(dá)到100%。

F類放大器是C類功率放大器的延伸，他們的偏執(zhí)方式相似，但F類放大器在功率管輸出端與負(fù)載間加入了諧波控制網(wǎng)絡(luò)，以此提高效率，在理論上它們的效率都可以達(dá)到100%，但在實(shí)際電路中因受到開關(guān)切換時(shí)間等因素的控制而無法達(dá)到理想值。

功率放大器有幾個(gè)重要的參數(shù)，說明如下。

（1）工作頻段：是指功率放大器在規(guī)定的線性度和額定輸出功率等條件下能夠正常工作的頻率范圍，單位Hz。

（2）功率增益：當(dāng)輸入一定強(qiáng)度的信號(hào)時(shí)，功放輸出功率相對(duì)于輸入功率放大的倍數(shù)，即放大器的輸出功率與驅(qū)動(dòng)輸入功率的比值，單位一般是dB。

（3）輸出功率：功率放大器能夠輸出給天線等負(fù)載的帶內(nèi)射頻信號(hào)的總功率，單位dBm或W。

（4）功放效率：功放輸出功率與輸入總功率的比值。

（5）線性度：一般有兩個(gè)指標(biāo)反應(yīng)功率放大器的線性度，1dB壓縮點(diǎn)和三階互調(diào)點(diǎn)。效率和線性度通常需要折中考慮。

2 超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)功放電路前應(yīng)該先考量系統(tǒng)規(guī)格要求的重點(diǎn)，再來選擇電路架構(gòu)。以射頻功率放大器而言，有的系統(tǒng)需要高效率的功率放大器，有些需要高功率且線性度好的功率放大器，有些需要較寬的工作頻帶等，這些系統(tǒng)需求往往是相互抵觸的。如B類、C類、E類架構(gòu)的功率放大器皆可達(dá)到比較高的效率，但信號(hào)的失真卻很嚴(yán)重；而A類放大器是所有放大器中線性度最高的，但效率太低。為了保證窄帶信號(hào)的最大能量傳輸，窄帶功率放大器共軛匹配，一個(gè)簡(jiǎn)單的L型或π型匹配網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)窄帶功率放大器的共軛匹配。

超寬帶功率放大器不止要提高寬帶放大器的輸出功率或者展寬功率放大器的工作帶寬，需要同時(shí)滿足帶寬、線性度、增益和穩(wěn)定性要求。每個(gè)單獨(dú)的要求都相對(duì)容易滿足，但是在要求同時(shí)滿足這些要求時(shí)，微波寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)就將面臨相當(dāng)大的難度，而且當(dāng)帶寬增加到倍頻程及以上時(shí)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都變得非常困難。需要考慮特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)、寬帶偏置網(wǎng)絡(luò)、大信號(hào)模型下輸入輸出阻抗、精確的大信號(hào)模型、大功率合成網(wǎng)絡(luò)、良好的熱設(shè)計(jì)等。具體設(shè)計(jì)時(shí)首先要選擇合適的晶體管，綜合考慮晶體管的工作頻率、輸出功率、功率增益、穩(wěn)定性等。其次根據(jù)放大器的要求和晶體管特性確定合適的工作狀態(tài)，射頻功率放大器的工作狀態(tài)主要由功率、效率、失真度等性能來決定。然后進(jìn)行功率放大器的電路設(shè)計(jì)，包括阻抗匹配、配置電路和直流扼流等，最重要的是設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)不僅具有阻抗變換的作用而且還有濾波器的功能。為了同時(shí)滿足最大能量傳輸和增益的平坦度，對(duì)于寬帶功率放大器需要設(shè)計(jì)寬帶的匹配網(wǎng)絡(luò)。

4 超寬帶功率放大器研究現(xiàn)狀

國外超寬帶的大功率放大器主要采用行波管結(jié)構(gòu)，工作頻率可以覆蓋到毫米波頻段，輸出功率最大可以達(dá)到上千瓦。行波管功率放大器的廠家主要有AR、IFI、RADITEK、Quarterwave Corp、RF Amplifiers等公司。其中AR公司有產(chǎn)品覆蓋0.7-18GHz，由0.7-6GHz和6-18GHz兩段組成，額定輸出功率有10W，20W，40W等。IFI公司的寬帶行波管放大器工作頻率為1-18GHz，額定輸出功率為10-100W；寬帶固態(tài)功率放大器工作頻段為0.8-18GHz，額定輸出功率為5-50W。RADITEK公司1-18GHz TWTA功率放大器，輸出功率高于1kW。

國內(nèi)方面，超寬帶功率放大器的研究起步較晚，目前13所6-18GHz的GaAs功率放大器芯片的飽和輸出功率為37dBm，GaN功率放大器的飽和輸出功率為40dBm；中電12所推出的行波管功率放大器工作頻率為6-18GHz，額定輸出功率為100W。

5 結(jié)束語

軍用、民用通信領(lǐng)域的無線通信系統(tǒng)離不開功率放大器?，F(xiàn)代通信的發(fā)展對(duì)工作帶寬，線性度，能量效率等指標(biāo)提出了更高的要求。對(duì)于工作頻率范圍更寬、增益更高的穩(wěn)定超寬帶功率放大器，還有待進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探索。

[1]陳琦.VHF寬帶功率放大器設(shè)計(jì)[D].成都: 電子科技大學(xué),2009.

[2]周博敏.超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)[D].北京:北京交通大學(xué),2011.

[3]徐鋒.射頻放大器的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2009.

The Summarizing of Ultra-wideband Power Amplifier

Wang Xingjian
(China Academy of Electronic and Information Technology,Beijing,100041)

Ultra-wideband power amplifier is an important part of the communication system . This paper describes the classification and main parameters of power amplifier , briefly introduces the design of ultra-wideband power amplifier , and introduced the latest research status of ultra-wideband power amplifier at home and abroad.

Ultra-wideband power amplifier；design；the latest research status