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1、硕士论文K a 波段高功率放大器设计 摘要 咖IIIIIIi1 1 1 1 11III I I I I l l l I I I I Y 2 0 6 14 8 3 随着通信技术和电子对抗的发展，人们将微波的应用发展到更高频率的空间，毫米 波技术成为迅猛发展的新领域。为了提高频谱利用率，多种调制技术也相应发展，这些 都对微波接收机和发射机提出了很高的要求。 系统的输出功率大小决定了整个射频系统的作用距离以及抗干扰的能力。功率放大 器作为微波收发信机中最关键的部件，同时也是非线性失真最严重的器件之一，其性能 好坏对整个射频收发系统有着举足轻重的作用。固态器件发展迅速，具有高可靠性，电 路结构紧凑，重
2、量轻等优点，在毫米波应用中也日益广泛。现在国内早已对毫米波删I C 放大器设计有所研究，不过对于毫米波高频段成果未见特别显著，其原因是设计复杂， 删I C 制造工艺的精确度要求高。 本文在分析目前国内外毫米波功率放大器发展情况的基础上，根据实际情况，使用 v l l C 芯片，采用多级级联以及功率合成的方法设计出K a 波段高功率放大器。同时本文对 比分析了多种功率合成和分配技术，选择了一种功率合成效率高、结构简单的功率合成 技术来实现末级功放的功率合成，最终使得功放的功率输出达至U I O W ，满足了设计要求。 整个设计使用波导传输，通过波导微带转换到瑚工C 芯片，再通过微带转换到波导传输
3、的 方式来实现功率放大器的设计。本课题对毫米波固态功率放大器的设计所开展的一些工 作，对提高射频收发信机以及促进毫米波技术的发展具有一定的意义。 关键词：毫米波，1 ( a 波段，I V l M I C ，功率放大器，功率合成 A b s t r a I c t硕士论文 A b s t r a c t A l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ee l e c t r o n i cc o u n t e r , t h em i c r o
4、 w a v ea p p l i c a t i o ni s b e i n gm o v e dt oh i g h e rf r e q u e n c y T h e m i l l i m e t e rw a v e t e c h n o l o g yi sb e i n gw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c so fw i d ea v a i l a b l ef r e q u e n c y b a n d ，h i g hi n f o r m a t i o nc o
5、 n t e n t ，l i t t l ei n t e r f e r e n c ee t c I no r d e rt oi m p r o v es p e c t r u me f f i c i e n c y ， av a r i e t yo fm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi sa l s od e v e l o p e d ，a l lo ft h o s ep r o p o s eh i 曲d e m a n do ft h e m i c r o w a v er e c e i v e ra n dt r a n
6、 s m i t t e r T h eo u t p u tp o w e ro ft h es y s t e md e t e r m i n e st h ed i s t a n c ea n dt h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y o ft h eR Fs y s t e m P o w e ra m p l i f i e ri st h ek e yd e v i c eo fn o n l i n e a rd i s t o r t i o n so f t h em i c r o w a v e t r a
7、n s m i t t e r , w h i c hh a sap i v o t a lr o l et ot h eR Ft r a n s c e i v e rs y s t e m T h es o l i dd e v i c e sh a v eh a d r a p i dd e v e l o p m e n td u et ot h e i rm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hr e l i a b i l i t y ，c o m p a c tc i r c u i t s t r u c t u r e ，l
8、i g h tw e i g h ta n do t h e ra d v a n t a g e s N o wm a n yr e s e a r c h e so nt h em i l l i m e t e rw a v e M M I Ca m p l i f i e rh a v eb e e nc a r r i e do u ti nC h i n a , h o w e v e r , n ov e r ys i g n i f i c a n ta c h i e v e m e n t s C a nb eo b s e r v e db e c a u s eo fi
9、 t sd e s i g nc o m p l e x i t ya n dh i g hM M I Cm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s p r e c i s i o n M M I Cc h i pi su s e df o rt h ed e s i g no fp o w e ra m p l i f i e r ，w h i l es e v e r a lo n e sh a v eb e e n c a s c a d e dt od e s i g nt h eh i g hp o w e rK ab a n da m p
10、l i f i e ri nw h i c ht h ep o w e rc o m b i n i n g s u b s y s t e mi sa l s ou s e d O nt h eb a s i so fc o m p a r i s o no fs e v e r a ld i f f e r e n tp o w e rc o m b i n i n g t e c h n i q u e s ，ak i n do fp o w e rs y n t h e s i sm e t h o dw i t hh i g he f f i c i e n c y ，s i m p
11、 l es t r u c t u r ei sc h o s e n t or e a l i z et h el a s ts t a g eo ft h ep o w e ra m p l i f i e rp o w e rc o m b i n e ，r e s u l t i n gi np o w e ro u t p u tu pt o 1OWf o rt h ef i n a la m p l i f i e rw h i c hm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s T h ew h o l ed e s i g nu
12、s e w a v e g u i d et r a n s m i s s i o n , w a v e g u i d e t o m i c r o s t r i pt r a n s i t i o nt oc o n n e c tM M I Cc h i p ，t h e nu s e m i c r o s t r i p t o w a v e g u i d et r a n s m i s s i o nt or e a l i z et h ep o w e ra m p l i f i e rd e s i g n T h es t u d yo ft h e m
13、i l l i m e t e rw a v es o l i dp o w e ra m p l i f i e rd e s i g nh a sac e r t a i ns i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fR Ft r a n s c e i v e r a n dp u s hf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n to fm i l l i m e t e rw a v e t e c h n o l o g y K e y w o r d ：M
14、 i l l i m e t e rw a v e ，K ab a n d ，M M I C ，p o w e ra m p l i f i e r , p o w e rc o m b i n i n g 硕士论文 K a 波段高功率放大器设计 目录 摘要I A b s t r a c t I I 1 绪论1 1 1 毫米波系统简介和应用【1 1 1 2 3 1 1 1 2 毫米波功率放大器研究的意义。2 1 3M M I C 介绍【4 】2 1 4 毫米波功率放大器国内外发展现状州 5 1 3 1 5 本文主要工作4 2 功率放大器设计基础知识6 2 1 功率放大器概述6 2 2 功率放大
15、器基本指标8 2 2 1 功率放大器的增益和平坦度：8 2 2 2 功率放大器输出功率9 2 2 3 功率放大器输入输出驻波9 2 2 4 功率放大器效率和附加效率9 2 3 功率放大器的非线性失真和稳定性9 2 3 1l d B 压缩点输出功率9 2 3 2 互调失真1 0 2 3 3 三阶截止点1 1 2 3 4 寄生杂波1 1 2 3 5 稳定性圆【7 1 【8 】一1 2 2 3 6 多级功率放大器的级联1 5 2 4 总结15 3 毫米波功率合成技术16 3 1 功率合成器的介绍1 7 3 1 1 芯片级功率合成1 7 3 1 2 电路功率合成18 3 1 3 空间功率合成1 9 3
16、 1 4 混合功率合成2 1 H I 目录硕士论文 3 1 53 d B 功率合成器理论分析。2 2 3 2 微带探针一波导过渡结构的分析2 2 3 2 1 波导开槽过渡4 1 2 3 3 2 2 微带对极鳍线过渡2 4 3 2 3 脊波导过渡2 4 3 2 4 微带探针过渡6 】 1 8 】【1 9 】 2 0 】2 5 3 2 5 波导同轴微带过渡2 6 3 2 6 其他波导微带转换结构2 6 3 3 微带探针过渡分析和仿真2 7 3 3 1 单节探针的仿真研究2 9 3 3 2 双探针背靠背模型仿真3 7 3 4 小结：3 8 4 功率放大器电路设计4 0 4 1 功率放大器芯片选择和设
17、计方案4 0 4 1 1 功率放大器的芯片选型4 1 4 1 2 放大器详细方案4 3 4 2 功率分配合成器设计。4 4 4 2 1 波导功分器的选择4 4 4 2 2 波导微带探针四路功率分配器分析4 7 4 3 金属连线对电路影响5 0 4 3 1 金属连线的键合5 0 4 3 2 金属连线参数对电路影响5 2 4 4 整体电路设计5 4 4 5 电路组装实现5 8 4 6 卅、结6 1 5 单根金属连线的理论公式。6 2 5 1 简单平板电容的公式6 2 5 2 单根金属连线公式理论推导6 4 5 3 单根金属连线公式的初步仿真验证：6 5 5 4 总结7 l 6 总结与展望7 2 6
18、 1 工作的总结7 2 I V V 硕士论文 l 【a 波段高功率放大器设计 1 绪论 本章首先对毫米波系统进行简单介绍，再对论文的研究背景和毫米波功率放大器的 实际应用做简单的介绍，然后对国内外毫米波的发展现状进行简单的描述，最后简单 介绍论文的结构。 1 1 毫米波系统简介和应用【1 1 1 2 1 1 3 1 目前为止，对于毫米波波段，国际上还没有很明确的定义，只是习惯上将3 0 G H z “ - “ 3 0 0 G H z 的频段称为毫米波，目前可参考的毫米波的标准频率范围波段是4 0 G t - I z “ - 3 0 0 G H z ，这是在1 9 7 6 年的发表的I E E
19、E 标准，而在实际使用中毫米波可能降低到1 8 G H z 。 我国关于微波的频率划分主要如下： 分米波：3 0 0M H z “ - 3 G H z , 此频段主要应用于通讯以及电视广播。 厘米波：3 G t I z “ - 3 0 G I - I z ，此频段主要应用于雷达，卫星通讯，无线电导航。 毫米波：3 0G H z “ - 3 0 0G H z ，此频段主要应用于卫星的通讯中。 亚毫米波：3 0 0G H z “ - 3 0 0 0G H 。 毫米波同时具有红外线和微波二者的优点，因为其波长之下是红外线，波长之上是 微波。目前的应用研究主要集中在几个“窗口“ 频率( 如3 5 G
20、I - - I z ，4 5 G I - - I z ，9 4 G I - - I z ，1 4 0 G I - - I z ， 2 2 0 G H z ) 和3 个吸收峰( 6 0 G H z ，1 2 0 G I - I z ，2 0 0 G H z ) 。和微波系统相比，其具有设备 体积小，重量轻，机动性好，跟踪和制导精度高，分辨率高，多目标鉴别性能好，多普 勒频移大，测速灵敏度高，不易受干扰可以保密传输等特点。和红外相比，毫米波对雾、 云、尘埃的穿透能力较强，较少受到复杂的气象条件和人为干扰的影响，适合于全天候 的工作，同时毫米波具有穿透等离子体的能力，在等离子体环境中仍能保持高速飞行
21、器 再入大气层时候的通信、测量、制导能力。因为毫米波频率的频率高，频带宽，信息容 量大，比较容易做到图像数字兼容和数模兼容，有效解决现有微波通信的拥挤情况，实 现了高速数据、电话、视频信号的传输。 毫米波有如此多优点，同时也有其相应缺点，比如和微波相比受到恶劣气候条件影 响大，大气传播衰减比较严重，作用的距离也受到功率器件本身的种种限制，同时毫米 波器件的加工精度要求高，比通常微波频段器件高出许多，尽管如此，毫米波还是有其 自身很强的优势，所以在民用和军用方面都受到重视。在射电天文方面，军事对战和通 信方面，遥感和防撞系统方面，生物医疗方面等等都有十分重要的应用。 毫米波应用领域主要包含： 1
22、 毫米波通信： I 绪论 硕士论文 军事集团和城市内部局域联网，特殊环境应急通信和现场转播，星间通信 2 毫米波雷达 战场侦察雷达，汽车防撞雷达，直升机防撞雷达，直升机防撞雷达 3 毫米波辐射计 目标成像，射电天文观测 4 毫米波医学应用 毫米波辐射治疗仪 5 毫米波电磁能武器 1 2 毫米波功率放大器研究的意义 目前军事电子技术发展的一个相当重要的频段就是毫米波频段，毫米波频段也是通 信发展的未来趋势对雷达与通信系统而言，高功率的毫米波系统其意义重大，输出功 率的提高可以使系统具有更强的抗干扰能力，系统可以有更大的作用范围，还有更好的 通信质量等等。作为毫米波发射系统的关键部件一功率放大器，
23、其输出功率的大小直接 决定了发射机的作用距离、抗干扰能力及通信质量。正因为毫米波系统有如此多的优势， 为了适应各种复杂通信形势，满足多种情况下通信指标的高性能要求，毫米波应用日益 受到重视。毫米波在空间传输损耗非常大，而器件本身和系统发射功率限制了其作用距 离，鉴于此，对毫米波功率放大器的输出功率提出了较高的要求。 毫米波功率放大器作为毫米波系统里面的最关键部件之一，可以说发射功率大小决 定了毫米波系统的作用距离。因此对毫米波功率放大器进行研究意义重大。 1 3M M I C 介绍H M M I C ( m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g
24、 r a t e dc i r c u i t ) 是单片微波集成电路的英文简称。 M M I C 是以半导体为微波传输介质，并在同一半导体上制造全部有源和无源元件的集成 微波电路。删I C 功能上是一种微波电路或微波部件，其技术核心依然是传统的微波理论 与技术。由于半导体有非理想传输特性，这造成删I C 的微波特性因射频微波的寄生效应 变得十分复杂，从而使得电路的设计难度增加：同时，此寄生效应的程度与在半导体上进 行的加工工艺直接关连，又造成了因工艺不完善而带来的各种非理想性。七十年代开始， 新材料特别是G a A s 材料的相关制造工艺已经发展成熟，此项技术的发展对微波集成电路 的发展产生
25、了不可估量的影响。半导体中，S i 电子迁移率远不如G a A s 材料的电子迁移率， 后者比前者高出七倍，而且半绝缘的G a A s 的电阻率很高，已经高达1 0 8 Q c m ，相对于S i 来说，G a A s 更是理想的微波传输介质材料，它更适合于作为单片微波集成电路( M M I C ) 的衬底。因此M M I C 技术的发展是物理科学、制造工艺技术及电路理论综合成熟发展的 结果。 2 硕士论文K a 波段高功率放大器设计 对于M M I C ，它的历史悠久，最早的起源于六十年代，其发展是紧随着相控阵天线 需求收发模块( T R 模块) 。当时硅材料的半导体技术正蓬勃发展，当时几乎
26、所有的试 验都是在硅片上进行的，但由于硅材料本身的局限性导致实验失败。后来发展到七十年 代，美国的P l e s s e y 公司用成功制作完成世界上第一个M M I C 放大器。 目前毫米波频段的宽带M M I C 的产品主要集中在某些国外公司，主要有H i t t i t e 公 司的几款H M C 系列，T r i q u i n t 公司的几款T G A 系列，U M S 公司和T L C 公司的部分产 品，受到半导体物理特性以及工艺的限制，单个器件的输出功率是有限的，欲得到更高 的输出功率，最好的办法还是采用功率合成技术将多路功率进行叠加。 图1 3 1 和1 3 2 分别为T r
27、i Q u i n t 公司的M M I CT G A 4 5 1 7 电路图和M i m i x 公司的 M M I CX P l 0 2 6 B D 电路图。M i m i x 公司的X P l 0 2 6 B D ，频率2 7 3 2 G H z ，增益2 1 d B ， 输出2 W 。 图1 3 1T r i Q u i n t 公司的T G A 4 5 1 7 电路图 图1 3 2M i m i x 公司的1 0 2 6 B D 电路图 1 4 毫米波功率放大器国内外发展现状1 4 1 1 5 1 真空管和固态器件都可以用来作为毫米波功率放大，而固态器件有自身很突出的优 势，在最近几
28、十年得到迅猛发展，特别是半导体工艺的发展，使得G a A s 介质的M M I C 以 l 绪论硕士论文 压倒性的优势在毫米波功率放大器中得到广泛应用。 1 9 7 4 年，P l e s s e y 公司设计出第一个G a A s 的M M I C 放大器，8 1 2 G H z 增益5 d B 。 1 9 7 9 年，T i 公司设计出9 5 G H z 增益1 0 d B ，输出功率1 2 5 W 的M M I C 放大器。 1 9 8 1 年，S i e m e n s 公司设计出2 G H z 输出功率3 W 的放大器。 1 9 8 2 年，R a y t h o n 公式设计出1
29、1 3 G H z 增益5 d B 的行波放大器。 对于G a A sM M I C 功率放大器，国外的研究水平比国内领先很多，同时各种产品的 品种和数量也比国内多，比如： H i t t i t e 公司的H M C - A P H 4 0 3 ，频率3 7 4 5 G H z ，增益2 1 d B 。偏置V d = 5 V ，I d q = 4 7 5 m A 。 T f i Q u i n t 公司的T G A 4 5 1 7 ，频率3 1 3 7 G H z ，增益2 0 d B 。偏置V d = 5 6 v ，I d q = 2 A ， P s a t - = 3 5 d B m 。
30、 基于以上情况，我国已经在1 9 7 0 年开始研带O G a A s 低噪声M E S F E T ，并于1 9 7 4 年着手 研N G a A s 功率F E T ，最终分别于1 9 7 8 年和1 9 8 0 年定型了国内第一个G a A s 低噪声F E T 和功 率F E T 。随后一段时间内，对于M M I C 的研究范围逐渐扩展，最终到数字、模拟电路， 甚至毫米波领域。 我国于7 0 年代末开始研究M M I C ，经过多年的基础研究和技术积累，近几年国内在 G a A sM M I C 功率放大器的研发方面也取得了一定的进展，其主要产品也逐渐应用到了 相应的电子系统中【5 1
31、 。 2 0 0 1 年，南京电子器件研究所自行研发制作了单级的功率放大器，3 4 G H z 处可以取 得1 0 0 m W 的输出功率，功率增益为4 d B 。 2 0 0 5 年N o r t h r oP G r u m m a n 公司报道了一个C a NH E M TM M I C 功率放大器，在 3 4 G H z 可以取得l1 W 的输出功率。 2 0 0 6 年，中科院上海微系统与信息技术研究所自行研发出三级结构的放大器芯片， 芯片面积为2 6 x 3 m m 2 ，在3 1 5 “ - 3 2 5 G H z 频段内，小信号增益1 7 4 d B ，饱和出书功率0 5 W
32、。 2 0 0 7 年，电子科技大学发表出波导微带双探针功率分配合成结构制作出两路合成 功率放大器，频率3 1 G H z 3 7 G H z 内饱和输出功率大于4 2 W N 。 2 0 1 1 年，成都电子信息控制重点实验室发表一篇K a 波段连续波宽带固态功率放大 器，输出功率达2 0 W 。 1 5 本文主要工作 本文主要研究了使用多级紧凑的高功率M M I C 芯片，实现多级级联的功率放大器 设计，其中使用波导一微带探针实现波导到微带线过渡，文章同时介绍了毫米波功率分 配器以及合成技术，最终利用大型微波设计软件A D S 和H F S S 仿真出各结构和最终整 体结构，验证了方案方法
33、和仿真结果的准确和一致性；如果条件具备，还需要实际生产 测试，验证理论和实际的差距以及误差分析。 4 硕士论文K a 波段高功率放大器设计 学位论文主要包括以下几个方面的内容： 1 、K a 波段功率放大器芯片的对比选型 列出目前市场可选的毫米波M M I C 芯片公司和型号，并且从中对比选择适合的 M M I C 进行设计。 2 、多种功率合成技术的对比和选择 对比了多种现有功率合成技术，并对功率分配合成进行了理论分析。 3 、金属连线、工艺等初步讨论 毫米波段的金属连线和制作工艺变得日益重要，本文对金属连线对电路影响作 出了一些初步讨论，同时对毫米波功率设计的工艺进行了初步讨论。 4 、最
34、终功率合成仿真研究 最终本文采用了一种波导微带功率分配合成器，具有损耗小，功率容量高，效率 高的特点。经过最终仿真使得各项指标达到设计要求。 5 、单根金属连线的静电学公式推导和相关验证 此章节单独提出了基于模糊电磁学的单根金属连线公式，并对公式进行了仿真 验证，同时本章节给出了几种情形下单根金属连线公式的对比分析。 6 、论文的总结与展望 对整个论文的研究内容进行了概括和总结，并提出了本论文存在的问题，最后 针对各种存在的问题提出了解决的方案。 5 2 功率放大器设计基础知识硕士论文 2 功率放大器设计基础知识 本章节主要介绍微波晶体管功率放大器基本知识和基本指标【7 1 。 2 1 功率放
35、大器概述 功率放大器是射频发射机中的关键部件，其主要功能是完成输入小信号无失真的放 大输出功能，同时需要达到系统指定的规格指标。功率放大器的基本架构见图2 1 1 。 6 Z 摹 V 量 图2 1 I 功率放大器基本架构图 图2 1 1 中各参数含义如下： Z s ：电路信号源阻抗值 V s ：电路信号源电压值 Z L ：电路负载阻抗值 Z o ：微波电路特性阻抗值 L n ：功率放大器输入端反射系数，其定义为： r i n S l i + 姑 R ：输入匹配网络端的反射系数 r s2 麓 r o u l ：功率放大器输出端反射系数 Z L ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 硕士论文K
36、a 波段高功率放大器设计 r 。w - S 2 2 诺 r L ：输出匹配网络端反射系数 ( 2 1 3 ) L = 啦(21Z4 ) 。L+Za 、。7 使用匹配网络是因为通常放大器的输入输出阻抗不是常用的5 0 Q ，为了更好的利用 好放大器，需要对放大器的输入输出和5 0 Q 进行匹配。 若输入和输出匹配网络分别连接信号源( Z s 和V s ) 以及负载阻抗Z L ，根据功率流 关系可以将图2 1 1 简化为图2 1 2 。 LL k 图2 1 2 简化功率放大器架构图 图2 1 2 中a i 和a i 为只有发射波的源节点，b i 和b i 为只有接收波的接收节点( i = l ，2
37、 ) 图2 1 3 为两端口S 参量的规定图。用以表述微波网络中得S 参量。 定义S 参量为： I 一 b l 其中，各符号意义分别为： 【S 】 图2 1 3 两端口网络S 参量的规定 p z l 、_ - k 厂s s 2 i l a s l l = 糕- b 1 1 a l I 删a l l 一再五j ：虿聂一Da l l a 鼍= o s z l = 黼= b z l r a l l 如：0a z l 一两五蕊2 D a l k = ( 2 I 1 ) ( 2 I 2 ) ( 2 I 3 ) 7 二 2 功率放大器设计基础知识硕士论文 s=糕=b12 z a 2 。1 I l - 0
38、5 2 磊蕊。b s=然_b22 2 a 2 1 I l - 。 5 2 磊而2 b I l ：o a i = O 意味着端口i ( i - l ，2 ) 完全匹配，没有任何功率波返回到输入输出网络。 2 2 功率放大器基本指标 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 功率放大器在发射系统中如此重要，因此其多项指标都有严格要求，下面主要介绍 功率放大器中的几项常用重要指标。 2 2 1 功率放大器的增益和平坦度 放大器的功率增益不仅仅限于一种定义，通常定义有转换功率增益，工作功率增益， 可用功率增益。通常功率增益指标是指负载吸收功率与放大器输入功率的比值，即工作 功率增益，其定义为： G =
39、负载吸收的功率放大器输入的功率= 剐琏n 吾羞龆 ( 2 2 1 1 ) 放大器在指定频段内的增益不会是绝对理想的恒定增益，肯定有一定波动，而增益 的起伏波动带来原来信号的幅度失真，特别是级联放大时，增益的波动叠加会带来更严 重的放大失真，所以为了保证放大信号的失真在满足范围内，需要定义增益平坦度。 放大器的增益平坦度是指在一定外部环境下( 比如温度) ，在放大器的工作频带内 放大器功率增益的起伏或者波动，通常用最高增益和最小增益的分贝之差来表示，见图 2 2 1 1 。 G = ( k 旷C k i I I ( 2 2 1 2 ) G 嵇功 8 硕士论文 K a 波段高功率放大器设计 图2
40、2 1 1放大器增益平坦度示意图 2 2 2 功率放大器输出功率 通常功率放大器的输出功率随着输入功率的增加而线性增加，但是若功率放大器的 输入功率达到一定数值，此时若输入功率继续增加，而输出功率不会随之增加，此时的 输出功率就称为饱和输出功率。但是因为功率放大器的转移特性在饱和时极少表现为一 个单一常数。在功率放大器工作频段内的其他频率处，放大器的输出功率还会逐渐增加， 通常用相对于某一输出功率处的饱和深度来表示，此时对应的输出功率就称为饱和输出 功率，通常通过测量l d B 压缩点来衡量饱和输出功率。详见2 3 1 章节。 2 2 3 功率放大器输入输出驻波 通常高功率管的输入输出阻抗都很
41、低或者很高，这会导致功率管和5 0 f 2 特性阻抗的 系统严重失配，比如双极性晶体管的输入阻抗只有几欧姆，而M E S F E T 的输入阻抗就特别 高，此时若不对功率管和系统进行匹配，放大器的输入、输出驻波变坏，会使得系统增 益和群迟延变坏，功率输出功率变小，甚至会引起放大器自激振荡损坏功率管。因此放 大器的输入和输出驻波必须要满足一定要求才可安全使用。通常系统中输入输出驻波比 取2 ：1 对于有其他特殊或者严格要求的系统另作处理。 2 2 4 功率放大器效率和附加效率 功率放大器效率是指放大器输出功率和功放直流输入功率之比。 r i p 意 ( 2 241 ) 匕为放大器的输出射频功率，
42、P d 。为放大器的直流输入功率。 功率附加效率是指放大器将直流功率转换成为射频功率的能力，其表达式为： r l a a d 等 ( 2 2 4 2 ) 2 3 功率放大器的非线性失真和稳定性 功率放大器对大信号进行放大，由于放大器为半导体器件，非绝对理想，故放大 时难免会有对原输入信号的失真，此时必须考虑其非线性特性。 2 3 1l d B 压缩点输出功率 理论上，当输入信号功率比较低得时候，功率放大器对信号的放大是线性恒定的， 但是当功率放大器输入功率达到饱和时，对继续增大的输入信号的放大能力会下降，就 成为功率压缩，典型的输入输出功率关系见图2 3 1 1 。当输入功率继续增加，放大器的 O 2 功率放大器设计基础知识 硕士论文 增益发生偏离，当增益偏离常数比其线性小信号增益低l d B 处就是l d B 压缩点，通常 用功率的l d B 压缩点衡量功率放大器的功率容量。 l n e a rz m l 砌e a t i o nr e g i o n 图2 3 1 1 功率放大器输入输出功率特性对应关系图 由图2 3 1 1 可以看出输出功率线性区介于最小可侦测讯号输出功率瑶劬与l d B 增 益压缩点输出功率R 扭之间，放大器在此范围有线性的功率增益，故称为动态区( d y n a m i c r a n g e ) ，在整个功率关系图中，此区也成为线性放大区。功率放大器的