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1、I目录目录摘 要 .IIAbstract .III1 引言.12 WLAN 射频功率放大器工作原理分析.12.1 功率放大器结构简介 .12.2 功率放大器的作用简介 .23 WLAN 射频前端功率放大器的总体设计.23.1 基础知识 .23.1.1 双口网络参数S 参数 .33.1.2 阻抗匹配 .43.2 设计目标 .74 偏置电路的设计 .84.1 管子的极限参数 .84.2 偏置电路的选择与设计 .105 输入输出匹配电路的设计 .125.1 输出匹配电路的设计 .125.2 输入匹配电路的设计 .176 总体电路结果分析与优化 .206.1 小信号结果分析 .226.26.2 小信号
2、优化结果 .236.36.3 大信号结果分析与优化 .277 总结 .37II致 谢 .38参考文献 .39IIIIV摘 要在无线应用中，通常需要对发射和接收信号进行一定程度的放大，射频功率放大器完成了对射频信号的放大。在射频电路设计中，主要需要考虑电路的匹配、稳定性和线性度的问题，并在以上情况下尽量达到最大功率输出。射频功率放大器一般工作在大信号的情况下，在此情况下器件一般呈现出非线性特性。本文采用了线性度最好的 A 类功放，并在设计完成之后针对线性度进行了谐波平衡分析，以及增益和电源效率测试。理想情况下 A 类功放的电源最大的利用效率是 50%。本文主要讨论了应用于WLAN的射频A类功放的
3、具体设计过程。射频功放的设计通常需要大信号S参数，但多数情况下设计者只有小信号S参数本文即利用小信号S参数设计法，并通过ADS仿真完成了大信号的设计。输出匹配电路的设计采用了最大输出功率匹配，即共轭匹配，采用负载迁移法；对于输入匹配电路，则按照最大增益匹配的原则即源阻抗与输入阻抗匹配。然后对设计电路进行稳定性分析、谐波平衡分析和电源效率分析，最终对整个电路进行优化，完成整个电路的设计。关键词：A 类功放 负载迁移 谐波平衡 大信号 S 参数 AbstractIn wireless application, the transmited and received signal usually n
4、eeds to be blowed up in some degree. RF power amplifier accomplishes the fuction to blow up the RF input signal. In the design of a RF circuit, the major concerns are Vthe matching of the circuit, stability and linearity;and in these complexions, the maxium output power is another purpose. RF power
5、amplifier usually operates at large signal situation. In this sitation devices always take on non-linear performances. In this paper a class A amplifier is introduced who has the best linearity. After the design is finished,harmonic balance analysis, gain and power-added efficiency(PAE) test are per
6、formed. In ideal situation, the maximun PAE of a class A amplifier is 50%.In this paper, we introduce the idiographic design procedure of class A power amplifier applied in WLAN. Large signal S-parameter is usually needed to design a RF power amplifier. However, in many cases, designers have only a
7、set of measured small signal S parameters .In this article ,we start our design with small signal S parameters and complete the large signal design with ADS simulations.Output matching network is designed to gain the maximu output power using conjugate match with a loadpull method; for input matchin
8、g network the principle is to get the maximum gain,that is to match the source impedance with input impedance. Then stability analysis, harmonic balance analysis and PAE analysis will be performed. Finally some parameters will be optimized and the entire circuit will be accomplished.VIKeyKey Words:W
9、ords: class A amplifier loadpull harmonic balance large signal S-prameter11 引言射频功率放大器是构成通信系统、雷达系统和微波应用系统中的发射机和接收机的重要组成部件，可以应用于包括通信、雷达、导航、识别、空间、对抗、GPS、3G 等各类无线系统中。随着应用频率的增高，普通的电路设计显然是不能满足要求的。射频电路的设计需要考虑器件的非线性、稳定性和匹配的问题。经过较长时间的发展电路设计已经趋于成熟，例如 MAXIM 公司已开发出应用于WLAN 的低成本、超小封装的通用射频功放。随着技术的发展和改进，使得设计高线性度、高稳
10、定性的射频功放成为了可能。文献2中就讨论了一种输出为 7W 的应用于 1.6G Hz 的 C 类 BJT 功率放大器，具有这样应用于高频率、高输出功率的功放可以满足现代电路系统的需要，当然设计这样的功率放大器也就成了必然。射频功率放大器的电路设计，最好的办法是参考以往的较为成熟电路图，分析电路各个模块的功能，再在新的要求下设置电路参数，最终完成要求的电路的设计。在本论文中，讨论了 2.4 G Hz 射频功率放大器电路设计的具体实现过程，就是要在应用小信号 S 参数法完成正向总体设计后，在满足增益和输出功率的要求下，分析、改变输入与输出匹配电路的形式，提高电路的带宽，并通过 ADS 进行优化，使
11、电路的稳定性因子 K 大于 1，即使电路工作在稳定状态下。输入匹配采用最大增益匹配；输出匹配采用最大输出功率匹配，即采用图解法对 RL共轭匹2配。小信号设计完成后对电路进行大信号仿真，完成谐波平衡分析和电源效率分析，并对电路优化以更好地满足设计要求。2 WLAN 射频功率放大器工作原理分析2.1 功率放大器结构简介功率放大器的基本结构如图 2-1：图 2-1 一般功率放大器的基本结构主要由四部分组成：输入匹配 input matching、偏置网络 bias network、放大级 amplifier stage、输出匹配 output matching。对于单级放大器，放大级一般只有晶体管和
12、必要的电容电感组成。电容电感的作用是直流去耦和 RF 扼流。输入匹配电路的功能是实现对输入阻抗与输入信号源内阻阻抗匹配，以达到最大增益输出。仿真电路时输入匹配的表现形式是散射参数 S11。当输入阻抗匹配时，散射参数 S11呈现出一个负的很小的值；随着匹配的变坏，其值会不断变大，这时必须要对电路进行优化，以保证匹配良好，进而保证输出增益最大。偏置电路的功能是保证选用的晶体管工作在特定的工作点。工3作点的确定是为了保证 A 类功放有最大的输出功率，并保证管子工作在线性放大区，以避免输出波形的失真。2.2 功率放大器的作用简介射频功率放大器在无线通信、雷达、导航、广播、空间研究和射频识别等中有着广泛
13、的应用，主要用于对输入信号的功率放大。如图 2-2 所示是一个应用于雷达系统的放大部分系统图。图 2-2 放大电路应用图雷达需要的发射功率比较大，所以应用了两级放大。前端为高增益功率放大器，增益为 12dB，目的是将输入的小信号放大为大信号。后面一级为高功率放大，目的是提高输出功率，用于发射。3 WLAN 射频前端功率放大器的总体设计3.1 基础知识功率放大器是把输入功率进行放大的系统。WLAN 射频前端功率放大器是应用于无线局域网发射系统的功率放大器。近年来 WLAN 广泛应用，但是当两个或多个网络相互连接时，无线局域网的低功率和高频率限制了其覆盖范围。为了扩大其覆盖范围，可以引入蜂窝或微蜂窝的网络结构或者直接增大发射功率扩大覆盖半径等措施来4实现。前者实现成本较高，而后者则相对较便宜，且相对较容易实现。本文讨论了应用于无线局域网的功率放大器的具体详细的实现过程和步骤。3.1.1
