通信电子线路通信电子线路东南大学射频与光电集成电路研究所东南大学射频与光电集成电路研究所 第四章第四章 发射系统发射系统•发射系统框图发射系统框图•射频功率放大器射频功率放大器•射频功率管的阻抗匹配网络射频功率管的阻抗匹配网络•射频功率放大器的网络设计方法射频功率放大器的网络设计方法•射频功率放大器的功率合成技术射频功率放大器的功率合成技术 发射系统框图发射系统框图3 第四章第四章 发射系统发射系统•发射系统框图发射系统框图•射频功率放大器射频功率放大器•射频功率管的阻抗匹配网络射频功率管的阻抗匹配网络•射频功率放大器的网络设计方法射频功率放大器的网络设计方法•射频功率放大器的功率合成技术射频功率放大器的功率合成技术 射频功率放大器射频功率放大器•RFPA的特点：的特点：– 指标与以前的指标与以前的 放大器不同：输出功率放大器不同：输出功率P0 、、电源供给电源供给功率功率PD 、、管耗管耗PT 以及失真、电路尺寸和重量（包以及失真、电路尺寸和重量（包括散热片）括散热片）–对功率管的要求高：最大击穿电压、最大集电极电流、对功率管的要求高：最大击穿电压、最大集电极电流、最大管耗及最高工作频率等最大管耗及最高工作频率等–多级功放的级间匹配网络设计计算；多级功放的级间匹配网络设计计算；5 射频功率放大器指标射频功率放大器指标 •输出功率输出功率P0 :功率放大器能够向负载提供的最大交流功率。
功率放大器能够向负载提供的最大交流功率•效率和功率附加效率效率和功率附加效率(Power Added Efficiency, PAE):功放将功放将电源的直流功率转化成交流信号功率输出，只有一部分直电源的直流功率转化成交流信号功率输出，只有一部分直流功率被转化成有用的信号功率并为负载所获得，另一部流功率被转化成有用的信号功率并为负载所获得，另一部分被放大器本身以及电路中的寄生元件所消耗分被放大器本身以及电路中的寄生元件所消耗 η＝＝PL/PD, PAE=(PL-Pin)/PD=η(1-1/G) •管耗管耗：放大器本身所消耗的能量：放大器本身所消耗的能量PT=PD-P0•在确保晶体管安全运用情况下，获得尽可能大的输出功率、在确保晶体管安全运用情况下，获得尽可能大的输出功率、尽可能高的效率、尽可能小的非线性失真尽可能高的效率、尽可能小的非线性失真 6 功率晶体管的要求功率晶体管的要求•集电极－基极电压集电极－基极电压VCB0•发射极－基极电压发射极－基极电压VEB0•集电极－发射极电压集电极－发射极电压VCE0•集电极电流集电极电流ICM•功率损耗功率损耗PCM•储存温度范围储存温度范围•工作结温工作结温7 功率放大器的分类功率放大器的分类8 功率放大器的分类功率放大器的分类根据功放管导通时间的长短根据功放管导通时间的长短•甲类（甲类（A类）类）A类类 (甲类）工作状态：甲类）工作状态：输入正弦波的一周期内，功率管输入正弦波的一周期内，功率管全导通。
全导通输入是正弦波，输出也是正弦波，输入是正弦波，输出也是正弦波，且频率相同，因此是同频线性放且频率相同，因此是同频线性放大器大器9 功率放大器的分类功率放大器的分类乙类（乙类（B类）类）B类（乙类）工作状态：类（乙类）工作状态：输入正弦波的一个周期内，功率管输入正弦波的一个周期内，功率管半个周期导通，半周期截止半个周期导通，半周期截止形成半波失真输出，产生多次谐波形成半波失真输出，产生多次谐波常用常用LC并联谐振回路选频：同频放并联谐振回路选频：同频放大和倍频放大大和倍频放大10 功率放大器的分类功率放大器的分类甲乙类（甲乙类（AB类）类）11 功率放大器的分类功率放大器的分类丙类（丙类（C类）类）C类（丙类）工作状态类（丙类）工作状态在输入正弦波的一周期内，在输入正弦波的一周期内，功率管导通功率管导通 时间小于半个周时间小于半个周期期(通角通角θ<π/2)，， 输出为小于输出为小于半个周期的余弦脉冲，从而半个周期的余弦脉冲，从而形成丰富的谐波输出形成丰富的谐波输出同频放大和倍频放大同频放大和倍频放大12 功率放大器的分类功率放大器的分类•开关型功率放大开关型功率放大–为进一步提高效率，要求功率管处于开关状态。
为进一步提高效率，要求功率管处于开关状态–双管双管D D类功放–单管单管E E类功放13 功率放大器的分类功率放大器的分类14 RF PA的工作状态和效率的工作状态和效率15 A 类类 RF PA•A类功放输出信号为输入信类功放输出信号为输入信号的号的线性函数线性函数，故又称为，故又称为 线性功率放大器线性功率放大器•电路结构电路结构 •特点特点(与低频甲类功放的区别与低频甲类功放的区别)：：–RC 改用改用LC（（高频扼流电感）高频扼流电感）–RE 改尽可能小改尽可能小–偏置电路可使电路偏置在偏置电路可使电路偏置在A、、B、、C类状态 16 A 类类 RF PA17 A 类类 RF PA•交流负载线：交流负载线：vce=-RLic (1)•vCE=VCEQ+vce; iC=ICQ+ic (2)•故故(1)式改写为：式改写为：•vCE-VCEQ= -RL(iC-ICQ)•功率管的集射极间交直流总电压为：功率管的集射极间交直流总电压为： 18 A 类类 RF PA•输入正弦信号时输入正弦信号时：：•iC=ICQ+Icmsinωt vCE=VCEQ-Vcmsinωt•Vcm=Icm×RL•输出功率输出功率：：•静态功耗：静态功耗：•管耗功率：管耗功率：•效率：效率：19 A 类类 RF PA20 A 类类 RF PA•考虑到功率管饱和压降考虑到功率管饱和压降VCE(sat)和反向饱和电流和反向饱和电流ICEO的影响的影响 相应的输出信号功率和效率均可达到最大：相应的输出信号功率和效率均可达到最大：21 A 类类 RF PAl功率管的管耗为功率管的管耗为PT=PD-P0l最大管耗发生在静态，即最大管耗发生在静态，即P0=0,则则PTmax=PDl在理想情况下：在理想情况下：P0max=1/2×I2CQRL，， 而而PD=2P0max。
此时，最大管耗此时，最大管耗PTmax=P0max, 最大集射极间电压最大集射极间电压vCEmax=2VCC考虑功率管压降后的最大效率：考虑功率管压降后的最大效率：22 A 类类 RF PA•显然，为保持功率管安全工作，它们都必需小于显然，为保持功率管安全工作，它们都必需小于管子的极限参数：管子的极限参数：23 A 类类 RF PA•输入为方波时，输出也为方波输入为方波时，输出也为方波24 A 类类 RF PA开关工作状态的开关工作状态的D、、E类类PA就是根据这个原理就是根据这个原理25 B类类RF PA•A类类η低，且静低，且静态时PT=PD为使静使静态时PT=0，，就要求就要求ICQ=0，，这就是就是B类•偏置和偏置和iC波形波形–输出出仅为半个周期余半个周期余弦波形弦波形•通常将有电流出现时所对应相角的一半称为导通通常将有电流出现时所对应相角的一半称为导通角角θθ26 B 类类RF PA• B类功放实现不失真放大的方法：类功放实现不失真放大的方法：–用用LC并联回路选频：并联回路选频： 选出基频选出基频——同频放大同频放大 选出谐波选出谐波——倍频放大倍频放大–采用双管推挽采用双管推挽工作，类似于低频乙类工作，类似于低频乙类 互补推挽互补推挽(push-pull)功放。
功放• 为减小趋于截止时的交越失真，采用为减小趋于截止时的交越失真，采用AB类，使导通角略大于类，使导通角略大于π/227 B 类类RF PA28 B 类类RFPA•工作波形工作波形29 B 类类 RF PA的工作效率的工作效率•B类功放类功放 最大输出功率：最大输出功率：•B类功放输出平均电流：类功放输出平均电流：•电源提供功率电源提供功率：：•效率效率：：30 C类类 RFPA•C类类RFPA工作特点：工作特点：31 C类类RFPA•效率与导通角的关系如下图所示效率与导通角的关系如下图所示32 C类类RFPA•C类功放又称为谐振功率放大器类功放又称为谐振功率放大器•C类功放的负载一般是阻抗性的，匹配网络是谐振类功放的负载一般是阻抗性的，匹配网络是谐振电路•输出信号中，除含有有用输入信号成分外，还含有输出信号中，除含有有用输入信号成分外，还含有输入信号的各次谐波、交叉调制成分，寄生干扰成输入信号的各次谐波、交叉调制成分，寄生干扰成分•C类功放放大器一般只适于放大单频信号或等幅已类功放放大器一般只适于放大单频信号或等幅已调信号33 A、、B、、AB和和C类功放小结类功放小结•功率管处放大工作状态功率管处放大工作状态•线性功放线性功放(A)和非线性功放和非线性功放(B,C)•线性功放适用于调幅模拟信号放大线性功放适用于调幅模拟信号放大•导通角：导通角： A: θ= 1800 B: θ= 900 AB: 900<θ <1800 C: θ<90034 D类类RFPA•从从A类、类、B类到类到C类放大器是采取减小电流流通角的类放大器是采取减小电流流通角的方法提高放大器的效率方法提高放大器的效率为零为零•C类功放类功放使使但是但是35 D类类RFPA•功率管工作在开关状态即功率管工作在开关状态即D类，类似于类，类似于A类功放类功放工作在方波信号时，达到高效工作在方波信号时，达到高效–导通时，导通时，vCE=0，，饱和导通饱和导通–截止时，截止时，iC=0，，充分截止充分截止•D类和类和E类放大器是电流导通角固定为类放大器是电流导通角固定为90 ，采，采用尽量降低放大器件耗散功率的方法来提高功用尽量降低放大器件耗散功率的方法来提高功率放大器的效率。
率放大器的效率36 D类类RFPA•原理图原理图•电路特点电路特点–T1 T2 均为均为NEMOSFET，，交替导交替导通，开关工作通，开关工作–NEMOSFET的导通电的导通电阻阻Ron很小–输入变压器起倒相激输入变压器起倒相激励作用–输出端与负载输出端与负载RL间接间接入一个高入一个高Q值值LC串联串联谐掁回路谐掁回路37 D类类RFPA•激励信号激励信号 vi 是一个重复频率为是一个重复频率为 f0 的的方波方波，或是，或是幅度足够大幅度足够大的正弦波的正弦波•激励信号通过变压器激励信号通过变压器 Tr1，，在两次级线圈产生极性相反的推在两次级线圈产生极性相反的推动电压动电压 vg1 和和 vg2 ，，它们分别使晶体管它们分别使晶体管 T1 和和 T2 依次处于依次处于饱饱和和或或截止截止状态•在激励信号的在激励信号的正半周正半周，，T1饱和，饱和，T2 截止，于是电源电压截止，于是电源电压 VCC 通过开关向通过开关向 RLC 组成的串联回路充电，并使组成的串联回路充电，并使 A 点的点的电压提高到电压提高到 VA = VDD - VDS •在激励信号的在激励信号的负半周负半周，将为，将为 T2 饱和，饱和，T1 截止，储存在截止，储存在 LC 的能量通过的能量通过 T2 放电，并使放电，并使 A 点的电压下降为：点的电压下降为：Va = VDS 38 D类类RFPA性能分析性能分析•RL上的基波分量上的基波分量•流过每管的直流电流流过每管的直流电流•电源供给功率电源供给功率•输出功率输出功率•效率效率Ron是影响是影响η的主要因素，也是的主要因素，也是选择功率管的依据功率管的依据39 例题例题4.4.1•已知已知D类功放电路的电源电压类功放电路的电源电压VDD为为24V,工作工作频率为频率为20MHz，负载，负载RL=50欧姆，功率管的导欧姆，功率管的导通电阻通电阻Ron＝＝2欧姆。
欧姆•1）若）若L=20μH，空载品质因素，空载品质因素Q0＝＝220，试求，试求计算电容计算电容C和串联有载品质因素和串联有载品质因素QL•2)计算计算D类功放的输出功率类功放的输出功率P0、电源供给功率、电源供给功率PD、、效率效率η和管耗和管耗PT40 第四章第四章 发射系统发射系统•发射系统框图发射系统框图•射频功率放大器射频功率放大器•射频功率管的阻抗匹配网络射频功率管的阻抗匹配网络•射频功率放大器的网络设计方法射频功率放大器的网络设计方法•射频功率放大器的功率合成技术射频功率放大器的功率合成技术 射频功率管的阻抗匹配网络射频功率管的阻抗匹配网络•阻抗匹配网络通常采用阻抗匹配网络通常采用滤波器形式滤波器形式，，因此也能起因此也能起选频选频作用作用•阻抗匹配的阻抗匹配的目的目的–实现级与级之间实现级与级之间最有效的能量传输最有效的能量传输42 RF功率管的负载阻抗功率管的负载阻抗•射频功率管的负载阻抗可用如下关系式近似估算射频功率管的负载阻抗可用如下关系式近似估算–VCC电源电压值，电源电压值，VCE(sat)为功率管的饱和压降，为功率管的饱和压降，其值随工作频率增加而增加，大约为其值随工作频率增加而增加，大约为2~3V；；PO为输出功率为输出功率43 RF功率管的负载阻抗功率管的负载阻抗•除除VCE(sat)外，射频功率管负载阻抗大小与外，射频功率管负载阻抗大小与射频功率管本身无关，而由输出功率和峰射频功率管本身无关，而由输出功率和峰值电压决定值电压决定•负载阻抗与射频功率管的输出阻抗是不匹配负载阻抗与射频功率管的输出阻抗是不匹配的，二者之间必须插入阻抗匹配网络实现阻的，二者之间必须插入阻抗匹配网络实现阻抗匹配抗匹配44 阻抗匹配网络阻抗匹配网络•负载可以是天线网络，也可以是后级功放的输入阻负载可以是天线网络，也可以是后级功放的输入阻抗抗•射频功率放大器中，阻抗匹配网络介于功率管和负射频功率放大器中，阻抗匹配网络介于功率管和负载之间载之间•对匹配网络的要求：对匹配网络的要求：–能实现阻抗变换，实现级间、输出间匹配。
能实现阻抗变换，实现级间、输出间匹配–具有滤波功能，实际它是一个滤波网络具有滤波功能，实际它是一个滤波网络–插入损耗应尽可能小插入损耗应尽可能小45 阻抗匹配网络阻抗匹配网络•L 型匹配网络型匹配网络–网络结构：网络结构：–网络分析：网络分析：RS --- 信号源内阻或前信号源内阻或前级级放大器所要求的最佳负载放大器所要求的最佳负载RL --- 负载阻抗，天线负载阻抗，天线阻抗阻抗X1 ,X2 --- 匹配网络元件匹配网络元件46 阻抗匹配网络阻抗匹配网络47 串并联阻抗的等效互换串并联阻抗的等效互换•要使串并联网络等效，则两个网络阻抗要使串并联网络等效，则两个网络阻抗(导纳导纳)相等：相等：•则转换关系如下：则转换关系如下：•网络有载品质因素网络有载品质因素48 L匹配网络的计算匹配网络的计算•匹配条件：匹配条件： 前级与负载为复共轭，即前级与负载为复共轭，即•由匹配条件由匹配条件得：得：49 L匹配网络的计算匹配网络的计算•由匹配条件由匹配条件 得：得：50 阻抗匹配网络阻抗匹配网络•Π型匹配网络型匹配网络–Π型匹配网络可看作由两个型匹配网络可看作由两个L型网络串接而成，实践中型网络串接而成，实践中使用这种匹配网络很多。
使用这种匹配网络很多–网络设计关系如式网络设计关系如式4.49~4.51所示•T型匹配网络型匹配网络–T型匹配网络也可以看作两个型匹配网络也可以看作两个L型网络串接而成：型网络串接而成：51 第四章第四章 发射系统发射系统•发射系统框图发射系统框图•射频功率放大器射频功率放大器•射频功率管的阻抗匹配网络射频功率管的阻抗匹配网络•射频功率放大器的网络设计方法射频功率放大器的网络设计方法•射频功率放大器的功率合成技术射频功率放大器的功率合成技术 功率合成技术功率合成技术•在通信系统中，往往需要在很宽的频率范围在通信系统中，往往需要在很宽的频率范围内合成很大的输出功率内合成很大的输出功率•当需要输出的功率超过单个晶体管的输出功当需要输出的功率超过单个晶体管的输出功率时，可将多个功率管放大的功率叠加，这率时，可将多个功率管放大的功率叠加，这就是功率合成技术就是功率合成技术•功率合成电路：由功率合成电路：由功率分配网络功率分配网络，，功率放大功率放大器器以及以及功率合成网络功率合成网络三部分组成三部分组成53 功率合成与传输线变压器功率合成与传输线变压器•功率合成一般依靠上限工作频率高达几千兆功率合成一般依靠上限工作频率高达几千兆赫兹的赫兹的传输线变压器传输线变压器来实现来实现•传输线变压器的结构传输线变压器的结构–由绕在铁氧体磁环上的射频传输线构成由绕在铁氧体磁环上的射频传输线构成–射频传输线经常用多股双绞线或双芯带状射频传输线经常用多股双绞线或双芯带状线线–磁环一般采用镍锌高导磁率磁环一般采用镍锌高导磁率(μ=100~400)铁氧体磁环铁氧体磁环54 功率合成与传输线变压器功率合成与传输线变压器•传输线变压器的工作原理传输线变压器的工作原理–传输线原理和变压器原理的结合传输线原理和变压器原理的结合–磁环没有损耗，仅仅依靠传输线进行能量磁环没有损耗，仅仅依靠传输线进行能量的传输，始端和终端功率都为的传输，始端和终端功率都为iviv–线圈绕在磁环上有磁耦合作用，因此传输线圈绕在磁环上有磁耦合作用，因此传输线变压器具有变压器的作用，可以实现阻线变压器具有变压器的作用，可以实现阻抗变换抗变换55 传输线变压器传输线变压器56 传输线变压器传输线变压器•符号符号•特性特性–传输线的长度传输线的长度l≤λmin/8 (λmin为上限频为上限频率率fH对应的波长对应的波长)时，可以认为线上电时，可以认为线上电压和电流处处相等，即均为压和电流处处相等，即均为v和和i–传输线变压器的特性阻抗传输线变压器的特性阻抗ZC=v/i57 常用传输线变压器常用传输线变压器•1:1倒相变压器倒相变压器58 传输线变压器传输线变压器•4:1传输线变压器传输线变压器59 传输线变压器传输线变压器•1:4传输线变压器传输线变压器•多个传输线变压器组合连接实现多种阻抗比变换多个传输线变压器组合连接实现多种阻抗比变换60 功率合成原理功率合成原理•功率合成与分配常采用功率合成与分配常采用1:4传输线变压器传输线变压器–为满足网络实现功率合成与分配，取电阻为满足网络实现功率合成与分配，取电阻RA=RB=ZC，，RC=0.5ZC, RD=2ZC–并假定并假定ZC为纯阻为纯阻61 反相功率合成和同相功率合成反相功率合成和同相功率合成62 反相功率合成和同相功率合成反相功率合成和同相功率合成–A,B两端送入幅度相等的反相激励电压两端送入幅度相等的反相激励电压–对称性必然导致对称性必然导致I'=I''–流经流经RC电流为零，则电流为零，则C端无输出功率；输出功率端无输出功率；输出功率全部合成到全部合成到D端，因端，因A,B为反相激励，称之为反为反相激励，称之为反相功率合成相功率合成–此时此时D端电阻与端电阻与A,B两端激励功率放大器的内阻两端激励功率放大器的内阻之和相匹配，即之和相匹配，即RD=2 R= RA+ RB63 反相功率合成和同相功率合成反相功率合成和同相功率合成–若在若在A,B两端送入幅度相等的同相激励电压，由两端送入幅度相等的同相激励电压，由于电路的对称性，则在于电路的对称性，则在RC上获得输出功率，而上获得输出功率，而在在RD上则无输出功率，此时称为上则无输出功率，此时称为同相功率合成同相功率合成–此时此时C端电阻与端电阻与A,B两端激励功率放大器的内阻两端激励功率放大器的内阻之和相匹配，即之和相匹配，即RC=1/2 R= RA‖ RB64 反相功率合成和同相功率合成反相功率合成和同相功率合成•A，，B端间的隔离条件端间的隔离条件–将将ia,ib写成写成va和和vb的表达式，可以发现的表达式，可以发现当且仅当当且仅当RD=4 RC时，时，ia仅与仅与va有关有关，， ib仅与仅与vb有关有关65 功率分配功率分配•若将激励功率加在若将激励功率加在 C 端，功率将平均分配在端，功率将平均分配在AB 端端－－实现同相功率分配－－实现同相功率分配•若将激励功率加在若将激励功率加在 D 端，功率将平均分配在端，功率将平均分配在AB 端端－－实现反相功率分配。
－－实现反相功率分配•实践中如要求实践中如要求D端不对称端不对称(有一端接地有一端接地)输出或馈入，输出或馈入，需要接一个不对称需要接一个不对称1:1传输线变压器来实现转换传输线变压器来实现转换66 30~80MHz 75W反向功率合成电路反向功率合成电路•各传输线变压器作用各传输线变压器作用•输入阻抗、等效负载阻抗及传输线变压器特性阻抗输入阻抗、等效负载阻抗及传输线变压器特性阻抗67 •射频功率放大器射频功率放大器–A、、B、、C、、D四类射频功放的特点与区别四类射频功放的特点与区别–四类射频功放的指标及其计算四类射频功放的指标及其计算•射频功率放大器的匹配网络射频功率放大器的匹配网络– L型匹配网络的分析与计算型匹配网络的分析与计算– T型和型和π型匹配网络的网络设计型匹配网络的网络设计•射频功率合成与功率分配射频功率合成与功率分配–传输线变压器原理与阻抗变换计算传输线变压器原理与阻抗变换计算–功率合成与功率分配原理与实用电路的计算功率合成与功率分配原理与实用电路的计算本章要点本章要点68 。