射頻功率放大器模塊研究分析

　　隨著現代數字移動通信技術的蓬勃發展，用戶對無線通信設備的性能要求越來越高，實現在各種環境中的穩定、高速的數據傳輸是未來移動通信系統研究者的主要目標之一。射頻功率放大器是發射機的末級，它將已調製的頻帶信號放大到所需要的功率，保證在覆蓋區域內的接收機可以收到滿意的信號電平，但不能過於幹擾相鄰信道的通信，同時又要儘量地保持放大後的大功率信號不失真畸變。這些不同方面的要求使得功率放大器的設計者要面面俱到地考慮到很多指標的平衡，功率放大器的設計也成為無線通信系統設計過程中的關鍵步驟之一。

　　射頻功率放大器（RF PA）是各種無線發射機的重要組成部分。在發射機的前級電路中，調製振蕩電路所產生的射頻信號功率很小，需要經過一系列的放大一緩衝級、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率以後，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須採用射頻功率放大器。

　　電路設計中的電磁兼容（EMC）措施

　　射頻電路工作在很高的頻率上，在元件引腳或者電路引線上會產生一定的寄生參量。而射頻功率放大器中，在高功率、大電流的環境下，寄生參量對於系統的影響大大增加，另外，引線電感及走線電感等又是引起高頻輻射幹擾的重要因素，這些功率不小的電磁幹擾（EMI）可能會使功率放大器本身、電源部分或者系統的其他部分的性能大幅下降，很多情況下會直接影響系統的多項主要指標。

　　為了儘可能減小電磁幹擾的影響，需要在電路設計及PCB設計中採取電磁兼容（EMC）措施，這樣做也能有效地減少後期調試工作量，增加產品的可靠性和一致性，提高產品性能。

　　我們在工程中採取的措施主要有：電源線應儘量粗，器件電源或偏置網絡都應該多加去耦電容和扼流電感，並選用高頻性能好的器件，從而增加電源的穩定性，減少電源波動對於器件的影響；PCB設計要合理布局，功率放大器部分應該與其他低功率或者數字部分儘量遠離，並在中間加裝金屬隔條、屏蔽罩或微波吸附材料，避免功率放大器與其他部分的相互輻射幹擾；PCB設計中，在無元件、線路經過的位置多加保護地，並多加金屬化通孔造成多點接地；射頻走線儘量短，嚴格控制線頭、引腳長度，匹配網絡應儘量靠近需要匹配的器件，等等。實踐證明，這些措施都能夠很好地減少電磁幹擾，改善電路性能。

　　功率放大器的線性化

　　線性度是射頻功率放大器的一個非常重要的指標，在移動通信設備中，功率放大器的非線性失真往往會造成信號畸變失真以及引起鄰道幹擾。所以，移動通信設備對功率放大器的線性度提出了很高的要求。

　　功率放大器非線性失真特性主要有兩種：第一種為非線性的增益特性，即輸出信號與輸入信號的功率之間不是線性關係，對應於單頻信號的輸入，將會產生諧波失真；而對於雙頻信號的輸入，除諧波外，還會產生交調分量，引起交調失真；另一種為非線性的相移特性，即輸入輸出的相位差隨功率不同而改變，結果會產生調幅/調相（AM/PM）效應。這兩種非線性對於採用非恆包絡調製方式的數字移動通信系統，不但會產生帶內失真，還會產生帶外頻率擴展，引起對鄰近信道的幹擾。

　　一般對功率放大器的線性度的衡量有諧波抑制度、三階交調抑制度等指標：當放大器輸入載波頻率為f0的單頻信號時，由於器件的非線性失真，會產生頻率為mf0（m為自然數）的諧波，如圖1（a）所示，諧波輸出功率與基波輸出功率之差即為諧波抑制度；當放大器輸入頻率間隔不大、載波頻率分別為f1和f2的信號時，在放大器輸出端除了載波頻率為f1和f2的信號外，還形成了頻率為±mf1±nf2（m、n均為自然數）的交調產物，如圖1（b）所示，其中頻率為2f1-f2和2f2-f1的兩個頻率分量功率最大，稱為三階交調產物，三階交調產物與輸出載波的功率之差即為功率放大器的三階交調抑制度。三階交調產物頻率非常靠近所用的載頻f1和f2，一般無法通過濾波等方式消除，只能在放大器的設計過程中加以改善。因此，抑制三階交調產物，提高三階交調抑制度是提高功率放大器線性度的重點。

　　

　　目前國內外對於射頻功率放大器的線性化技術已經進行了大量的研究工作，研究熱點主要集中在前饋法、預失真法、負反饋法等幾種新技術上。隨著DSP、FPGA等技術的快速發展，這幾種功放線性化技術必將逐漸完善、普及而成為未來的發展方向，但由於目前成本和技術的原因，應用尚不廣泛，鑑於篇幅在此就不作詳述。在實際工程中，功率回退法這種簡單有效的技術一直有著十分廣泛的應用，下文提到的GSM直放站功率放大器模塊就採用了功率回退法來改善線性度。

　　功率回退法即選用功率較大的放大管作小功率用途，犧牲直流功耗來提高功放的線性度，具體來說就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點向後回退一些，工作在遠小於1dB壓縮點的功率上，使功率放大器脫離飽和區，進入線性工作區，從而改善放大器的線性度。這種方法的優勢在於簡單易行，不需要增加任何附加設備，且可靠性高；其缺點是功率放大器的效率因此有所降低，器件成本提高，且對線性度的改善程度也比較有限。因此，在線性度要求很高的場合，完全依靠功率回退是不夠的，必須與其他線性化措施結合起來，在線性度要求稍低的應用中，功率回退法是一種較為合適的線性化措施。

　　GSM直放站功率放大器模塊設計實例

　　一般在工程中，功率放大器模塊的設計工作重點在於匹配網絡的設計。考慮指標要求及成本，決定放大級數、每級的增益分配及所採用的器件，之後分別設計每一級的匹配電路、電源、級間匹配等細節，最後用CAD工具仿真、設計印製電路版，是我們通常採取的設計流程。

　　

　　（2） 根據設計目標，該功率放大器模塊整體功率增益為55dB，輸出功率為39dBm。一般情況下，多數廠家提供的場效應管設計的放大器增益不超過20dB，常用的集成功率放大晶片的功率增益也在30dB左右，加上設計中應留出的餘量，我們決定採用三級放大的結構。

　　（3） 第一級放大器選用Gali-5單片放大器，Gali系列封裝體積小，匹配網絡簡單方便，可靠性高，器件的線性度很好，它可以提供19dB左右的功率增益；第二級選用MHL9838集成功率放大晶片，該晶片內部集成了匹配網絡，因此設計簡便，可靠性也非常高，用做推動放大級性能十分理想，該模塊可以提供31dB左右的功率增益。

　　整個系統的關鍵在於末級放大。末級放大器由於輸入功率很大，其非線性度對於信號的影響是巨大的。在這個多級功放模塊中，由於前兩級可靠性高，最後一級的性能對於系統的性能起著決定性的作用。實際上，移動通信系統中非線性放大器對發射信號的影響，與調製方式密切相關，GSM制式採用GMSK調製方式，是一種恆定包絡的調製方式，對於線性度的要求較採用CDMA制式的系統低一些，用功率回退法這種線性化技術可以滿足指標要求。綜合考慮之後，選用Freescale公司的MRF9060L功率放大管，它可以提供17dB功率增益、60W（略大於47dBm）的輸出功率以及此輸出功率下-31dBc的三階交調抑制度，採用功率回退之後，三階交調抑制度可以符合指標需求。

　　三級放大器級聯得到的功率增益約67dB左右，為達到55dB的指標要求，在第一級放大器之前採用π型衰減器對信號進行衰減。π型衰減器是由三個電阻組成的衰減器，性能可靠，設計調試十分簡單，而且能夠非常有效的吸收後級電路的反射波，可以改善級間匹配和電路駐波比，在射頻電路中應用十分廣泛。這裡把它放在第一級之前，配合隔離器可以得到很好的輸入駐波比。

　　（4） 原理圖設計完成後，就可以根據原理圖進行印製電路版圖的設計，之後組裝出樣機。樣機調試完成後，使用射頻儀器實測主要指標如下：

　　

　　表2 GSM直放站功率放大器模塊樣機主要指標測試結果

　　使用頻譜儀實測其三階交調抑制度和帶內波動的顯示結果如圖3。從圖上可以看到，該功率放大器樣機的三階交調抑制度達到-48.47dBc，帶內波動為0.389dB。均大大好於最初設計指標要求，取得了非常滿意的性能。

　

　　射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都採用選頻網絡作為負載迴路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同，分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三類工作狀態。甲類放大器電流的導通角為360°，適用於小信號低功率放大，乙類放大器電流的導通角等於180°，丙類放大器電流的導通角則小於180°。乙類和丙類都適用於大功率工作狀態，丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高的。射頻功率放大器大多工作於丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用於採用調諧迴路作為負載諧振功率放大。由於調諧迴路具有濾波能力，迴路電流與電壓仍然接近於正弦波形，失真很小。除了以上幾種按照電流導通角分類的工作狀態外，還有使電子器件工作於開關狀態的丁（D）類放大器和戊（E）類放大器，丁類放大器的效率高於丙類放大器。

　　射頻放大器的穩定性問題非常重要，是保證設備安全可靠運行的必要條件。在現實應用中，常常存在信號源阻抗或負載阻抗與射頻放大器網絡不匹配的情況，產生反射，在某些頻率下可能是正反饋，從而導致射頻放大器自激，造成設備損壞。如果事先能知道射頻放大器穩定工作的條件，就可防止放大器自激，避免不必要的損失。所以射頻放大器的穩定性分析是很有意義的。

　　在射頻功率放大器的設計中，電磁兼容和線性化是設計者應予以重視的兩個關鍵問題，本文對於這兩個問題的原理和具體實現措施進行了探討，並詳細分析了GSM直放站功率放大器模塊這個工程實例的具體設計過程。通過樣機的實測結果證明，文中的論述方法是具體可行的，可供射頻功率放大器設計工程師作為參考。

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