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射频功率放大器RFPA的功能及分类

作者:时间:2018-09-14来源:网络收藏

身为射频工程师,工作多多少少都会涉及到可以说是很多射频工程师绕不过的坎。功能、分类、性能指标、电路组成、效率提升技术、发展趋势……

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201809/389178.htm

关于射频,该知道的你都知道么?快来补补课吧!

射频功率RFPA的功能

射频功率RFPA是发射系统中的主要部分,其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大 一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级,获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率,必须采用射频功率。功 率往往是固定设备或终端的最昂贵、最耗电、效率最低的器件。

在调制器产生射频信号后,射频已调信号就由RFPA将它放大到足够功率,经匹配网络,再由天线发射出去。

图1 发射系统框图

的功能,即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容,我们称之为“信号”,往往表示为电压或功率。对于这样一个“系统”来说,它的“贡 献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平,并向外界“输出”。这一“提升的贡献”,即为存在的“意义”所在。如果能够有好的性能,那么它 就可以贡献更多,这才体现出它自身的“价值”。如果的初始“机制设计”存在着一定的问题,那么在开始工作或者工作了一段时间之后,不但不能再提供任 何“贡献”,反而有可能出现一些不期然的“震荡”,这种“震荡”,对于外界还是自身,都是灾难性的。

射频功率RFPA的分类

根据工作状态的不同,功率分类如下:

图2 功率的分类

射频功率的工作频率很高,但相对频带较窄,射频功率一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率可以按照电流导通角的不同,分为甲 (A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。甲类电流的导通角为360°,适用于小信号低功率放大,乙类电流的导通角等于180°,丙类 电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态,丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率大多工作于丙类, 但丙类的电流波形失真太大,只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力,回路电流与电压仍然接近于正弦波形,失真很小。

除了以上几种按照电流导通角分类的工作状态外,还有使电子器件工作于开关状态的丁(D)类和戊(E)类,丁类的效率高于丙类

射频功率RFPA的性能指标

射频功率RFPA的主要技术指标是输出功率与效率,如何提高输出功率和效率,是射频功率设计目标的核心。通常在射频功率中,可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波,实现不失真放大。

总体来说,的评判大概存在着如下指标:

增益。这是输入和输出之间比值,代表着的贡献。好的,都是在其“自身能力的范围内”,尽可能多的贡献出“产出”。

工作频率。这代表着对不同频率信号的承载能力。

工作带宽。这决定着能够在多大范围内产生“贡献”。对于一个窄带来说,其自身设计即便没有问题,但是其贡献可能是有限的。

稳定性。每一个晶体管都存在着潜在的“不稳定区域”。的“设计”需要消除这些潜在的不稳定。的稳定性包括两种,潜在不稳定和绝对稳定。前者可 能在特定条件和环境下出现不稳定现象,后者则能够保证在任何情况下保持稳定。稳定性问题之所以重要,是因 为不稳定意味着“震荡”,这时不但影响自 身,还会将不稳定因素输出。

最大输出功率。这个指标决定着的“容量”。对于“大的系统”来说,希望他们在牺牲一定的增益的情况下能够输出更大的功率。

效率。都要消耗一定“能量”,还实现一定的“贡献”。其贡献与消耗之比,即为的效率。能够贡献更多消耗更少,就是好的

线性。线性所表征的是对于大量输入进行正确的反应。线性的恶化表示在过量的输入的状态下将输入“畸变”或“扭曲”。好的不应该表现出这 种“畸形”的性质。

下面内容:射频功放的电路组成、稳定和效率提升方式

射频功率RFPA的电路组成

有不同类型,简化之,的电路可以由以下几个部分组成:晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路

1、晶体管

晶体管有很多种,包括当前还有多种结构的晶体管被发明出来。本质上,晶体管的工作都是表现为一个受控的电流源或电压源,其工作机制是将不含内容的直流的能量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界获得,晶体管加以消耗,并转化成有用的成分。一个晶体管,我们可以视之为“一个单位”。不同的晶体管不同的“能力”,例如其承受功率的能力有区别,这也是因为其能获取的直流能量的能力不同所致;例如其反应速度不同,这决定它能工作在多宽多高的频带上;例如其面向输入、输出端的阻抗不同,及对外的反应能力不同,这决定了给它匹配的难易程度。

2、偏置及稳定电路

偏置和稳定电路是两种不同的电路,但因为他们往往很难区分,且设计目标趋同,所以可以放在一起讨论。

晶体管的工作需要在一定的偏置条件下,我们称之为静态工作点。这是晶体管立足的根本,是它自身的“定位”。每个晶体管都给自己进行了一定的定位,其定位不同将决定了它自身的工作模式,在不同的定位上也存在着不同的性能表现。有写定位点上起伏较小,适合于小信号工作;有些定位点上起伏较大,适合于大功率输出;有些定位点上索取较少,释放纯粹,适合于低噪声工作;有些定位点,晶体管总是在饱和和截至之间徘徊,处于开关状态。一个恰当的偏置点,是正常工作的础。

稳定电路一定要在匹配电路之前,因为晶体管需要将稳定电路作为自身的一部分存在,再与外界接触。在外界看来,加上稳定电路的晶体管,是一个“全新的”晶体管。它做出一定的“牺牲”,获得了稳定性。稳定电路的机制能够保证晶体管顺利而稳定的运转。

3、输入输出匹配电路

匹配电路的目的是在选择一种接受的方式。对于那些想提供更大增益的晶体管来说,其途径是全盘的接受和输出。这意味着通过匹配电路这一个接口,不同的晶体管之间沟通更加顺畅,对于不同种的类型来说,匹配电路并不是只有“全盘接受”一种设计方法。一些直流小、根基浅的小型管,更愿意在接受的时候做一定的阻挡,来获取更好的噪声性能,然而不能阻挡过了头,否则会影响其贡献。而对于一些巨型功率管,则需要在输出时谨小慎微,因为他们更不稳定,同时,一定的保留有助于他们发挥出更多的“不扭曲的”能量。

射频功率RFPA稳定的实现方式

每一个晶体管都是潜在不稳定的。好的稳定电路能够和晶体管融合在一起,形成一种“可持续工作”的模式。稳定电路的实现方式可划分为两种:窄带的和宽带的。

窄带的稳定电路是进行一定的增益消耗。这种稳定电路是通过增加一定的消耗电路和选择性电路实现的。这种电路使得晶体管只能在很小的一个频率范围内贡献。另外一种宽带的稳定是引入负反馈。这种电路可以在一个很宽的范围内工作。

不稳定的根源是正反馈,窄带稳定思路是遏制一部分正反馈,当然,这也同时抑制了贡献。而负反馈做得好,还有产生很多额外的令人欣喜的优点。比如,负反馈可能会使晶体管免于匹配,既不需要匹配就可以与外界很好的接洽了。另外,负反馈的引入会提升晶体管的线性性能。

射频功率RFPA的效率提升技术

晶体管的效率都有一个理论上的极限。这个极限随偏置点(静态工作点)的选择不同而不同。另外,外围电路设计得不好,也会大大降低其效率。目前工程师们对于效率提升的办法不多。这里仅讲两种:包络跟踪技术与Doherty技术。

包络跟踪技术的实质是:将输入分离为两种:相位和包络,再由不同的放大电路来分别放大。这样,两个之间可以专注的负责其各自的部分,二者配合可以达到更高的效率利用的目标。

Doherty技术的实质是:采用两只同类的晶体管,在小输入时仅一个工作,且工作在高效状态。如果输入增大,则两个晶体管同时工作。这种方法实现的基础是二只晶体管要配合默契。一种晶体管的工作状态会直接的决定了另一支的工作效率。

手机射频模块功率(PA)市场情况

手机功率领域是目前手机里无法集成化的元件,手机性能、占位面积、通话质量、手机强度、电池续航能力都由功率决定。

如何集成这些不同频段和制式的功率是业界一直在研究的重要课题。

目前有两种方案:

一种是融合架构,将不同频率的射频功率PA集成;另一种架构则是沿信号链路的集成,即将PA与双工器集成。两种方案各有优缺点,适用于不同的手机。融合架构,PA的集成度高,对于3个以上频带巨有明显的尺寸优势,5-7个频带时还巨有明显的成本优势。缺点是虽然PA集成了,但是双工器仍是相当复杂,并且PA集成时有开关损耗,性能会受影响。而对于后一种架构,性能更好,功放与双功器集成可以提升电流特性,大约可以节省几十毫安电流,相当于延长15%的通话时间。所以,业内人士的建议是,大于6个频段时(不算 2G,指3G和4G)采用融合架构,而小于四个频段时采用PA与双工器集成的方案PAD。



关键词: 功率 放大器

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