隨著現(xiàn)代數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，用戶對(duì)無線通信設(shè)備的性能要求越來越高，實(shí)現(xiàn)在各種環(huán)境中的穩(wěn)定、高速的數(shù)據(jù)傳輸是未來移動(dòng)通信系統(tǒng)研究者的主要目標(biāo)之一。射頻功率放大器是發(fā)射機(jī)的末級(jí)，它將已調(diào)制的頻帶信號(hào)放大到所需要的功率，保證在覆蓋區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以收到滿意的信號(hào)電平，但不能過于干擾相鄰信道的通信，同時(shí)又要盡量地保持放大后的大功率信號(hào)不失真畸變。這些不同方面的要求使得功率放大器的設(shè)計(jì)者要面面俱到地考慮到很多指標(biāo)的平衡，功率放大器的設(shè)計(jì)也成為無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵步驟之一。 

 

基本概念 

射頻功率放大器（RF PA）是發(fā)射系統(tǒng)中的主要部分，其重要性不言而喻。在發(fā)射機(jī)的前級(jí)電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過一系列的放大（緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)）獲得足夠的射頻功率以后，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，必須采用射頻功率放大器。在調(diào)制器產(chǎn)生射頻信號(hào)后，射頻已調(diào)信號(hào)就由RF PA將它放大到足夠功率，經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)，再由天線發(fā)射出去。 

 

放大器的功能，即將輸入的內(nèi)容加以放大并輸出。輸入和輸出的內(nèi)容，我們稱之為“信號(hào)”，往往表示為電壓或功率。對(duì)于放大器這樣一個(gè)“系統(tǒng)”來說，它的“貢 獻(xiàn)”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平，并向外界“輸出”。如果放大器能夠有好的性能，那么它就可以貢獻(xiàn)更多，這才體現(xiàn)出它自身的“價(jià)值”。如果放大器存在著一定的問題，那么在開始工作或者工作了一段時(shí)間之后，不但不能再提供任 何“貢獻(xiàn)”，反而有可能出現(xiàn)一些不期然的“震蕩”，這種“震蕩”對(duì)于外界還是放大器自身，都是災(zāi)難性的。 

 

射頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率，如何提高輸出功率和效率，是射頻功率放大器設(shè)計(jì)目標(biāo)的核心。通常在射頻功率放大器中，可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波，實(shí)現(xiàn)不失真放大。除此之外，輸出中的諧波分量還應(yīng)該盡可能地小，以避免對(duì)其他頻道產(chǎn)生干擾。

 

射頻功率放大器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

 

功率放大器設(shè)計(jì)中的兩個(gè)重要問題 

電路設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)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(huán)境下，寄生參量對(duì)于系統(tǒng)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干擾的重要因素，這些功率不小的電磁干擾（EMI）可能會(huì)使功率放大器本身、電源部分或者系統(tǒng)的其他部分的性能大幅下降，很多情況下會(huì)直接影響系統(tǒng)的多項(xiàng)主要指標(biāo)。 

 

為了盡可能減小電磁干擾的影響，需要在電路設(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)中采取電磁兼容（EMC）措施，這樣做也能有效地減少后期調(diào)試工作量，增加產(chǎn)品的可靠性和一致性，提高產(chǎn)品性能。 

 

我們?cè)诠こ讨胁扇〉拇胧┲饕校弘娫淳€應(yīng)盡量粗，器件電源或偏置網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)該多加去耦電容和扼流電感，并選用高頻性能好的器件，從而增加電源的穩(wěn)定性，減少電源波動(dòng)對(duì)于器件的影響；PCB設(shè)計(jì)要合理布局，功率放大器部分應(yīng)該與其他低功率或者數(shù)字部分盡量遠(yuǎn)離，并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干擾；PCB設(shè)計(jì)中，在無元件、線路經(jīng)過的位置多加保護(hù)地，并多加金屬化通孔造成多點(diǎn)接地；射頻走線盡量短，嚴(yán)格控制線頭、引腳長(zhǎng)度，匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量靠近需要匹配的器件，等等。實(shí)踐證明，這些措施都能夠很好地減少電磁干擾，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(gè)非常重要的指標(biāo)，在移動(dòng)通信設(shè)備中，功率放大器的非線性失真往往會(huì)造成信號(hào)畸變失真以及引起鄰道干擾。所以，移動(dòng)通信設(shè)備對(duì)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(hào)與輸入信號(hào)的功率之間不是線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)于單頻信號(hào)的輸入，將會(huì)產(chǎn)生諧波失真；而對(duì)于雙頻信號(hào)的輸入，除諧波外，還會(huì)產(chǎn)生交調(diào)分量，引起交調(diào)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(jié)果會(huì)產(chǎn)生調(diào)幅/調(diào)相（AM/PM）效應(yīng)。這兩種非線性對(duì)于采用非恒包絡(luò)調(diào)制方式的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，不但會(huì)產(chǎn)生帶內(nèi)失真，還會(huì)產(chǎn)生帶外頻率擴(kuò)展，引起對(duì)鄰近信道的干擾。 

 

一般對(duì)功率放大器的線性度的衡量有諧波抑制度、三階交調(diào)抑制度等指標(biāo)：當(dāng)放大器輸入載波頻率為f0的單頻信號(hào)時(shí)，由于器件的非線性失真，會(huì)產(chǎn)生頻率為mf0（m為自然數(shù)）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(dāng)放大器輸入頻率間隔不大、載波頻率分別為f1和f2的信號(hào)時(shí)，在放大器輸出端除了載波頻率為f1和f2的信號(hào)外，還形成了頻率為±mf1±nf2（m、n均為自然數(shù)）的交調(diào)產(chǎn)物，如圖1（b）所示，其中頻率為2f1-f2和2f2-f1的兩個(gè)頻率分量功率最大，稱為三階交調(diào)產(chǎn)物，三階交調(diào)產(chǎn)物與輸出載波的功率之差即為功率放大器的三階交調(diào)抑制度。三階交調(diào)產(chǎn)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(shè)計(jì)過程中加以改善。因此，抑制三階交調(diào)產(chǎn)物，提高三階交調(diào)抑制度是提高功率放大器線性度的重點(diǎn)。 

 

 

 

目前國內(nèi)外對(duì)于射頻功率放大器的線性化技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，研究熱點(diǎn)主要集中在前饋法、預(yù)失真法、負(fù)反饋法等幾種新技術(shù)上。隨著DSP、FPGA等技術(shù)的快速發(fā)展，這幾種功放線性化技術(shù)必將逐漸完善、普及而成為未來的發(fā)展方向，但由于目前成本和技術(shù)的原因，應(yīng)用尚不廣泛，鑒于篇幅在此就不作詳述。在實(shí)際工程中，功率回退法這種簡(jiǎn)單有效的技術(shù)一直有著十分廣泛的應(yīng)用，下文提到的GSM直放站功率放大器模塊就采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(diǎn)向后回退一些，工作在遠(yuǎn)小于1dB壓縮點(diǎn)的功率上，使功率放大器脫離飽和區(qū)，進(jìn)入線性工作區(qū)，從而改善放大器的線性度。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單易行，不需要增加任何附加設(shè)備，且可靠性高；其缺點(diǎn)是功率放大器的效率因此有所降低，器件成本提高，且對(duì)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(chǎng)合，完全依靠功率回退是不夠的，必須與其他線性化措施結(jié)合起來，在線性度要求稍低的應(yīng)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(shè)計(jì)實(shí)例 

一般在工程中，功率放大器模塊的設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)在于匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)?？紤]指標(biāo)要求及成本，決定放大級(jí)數(shù)、每級(jí)的增益分配及所采用的器件，之后分別設(shè)計(jì)每一級(jí)的匹配電路、電源、級(jí)間匹配等細(xì)節(jié)，最后用CAD工具仿真、設(shè)計(jì)印制電路版，是我們通常采取的設(shè)計(jì)流程。

 

 

 

（2） 根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，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(shù)廠家提供的場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)的放大器增益不超過20dB，常用的集成功率放大芯片的功率增益也在30dB左右，加上設(shè)計(jì)中應(yīng)留出的余量，我們決定采用三級(jí)放大的結(jié)構(gòu)。 

 

（3） 第一級(jí)放大器選用Gali-5單片放大器，Gali系列封裝體積小，匹配網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)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(jí)選用MHL9838集成功率放大芯片，該芯片內(nèi)部集成了匹配網(wǎng)絡(luò)，因此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，可靠性也非常高，用做推動(dòng)放大級(jí)性能十分理想，該模塊可以提供31dB左右的功率增益。 

 

整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于末級(jí)放大。末級(jí)放大器由于輸入功率很大，其非線性度對(duì)于信號(hào)的影響是巨大的。在這個(gè)多級(jí)功放模塊中，由于前兩級(jí)可靠性高，最后一級(jí)的性能對(duì)于系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。實(shí)際上，移動(dòng)通信系統(tǒng)中非線性放大器對(duì)發(fā)射信號(hào)的影響，與調(diào)制方式密切相關(guān)，GSM制式采用GMSK調(diào)制方式，是一種恒定包絡(luò)的調(diào)制方式，對(duì)于線性度的要求較采用CDMA制式的系統(tǒng)低一些，用功率回退法這種線性化技術(shù)可以滿足指標(biāo)要求。綜合考慮之后，選用Freescale公司的MRF9060L功率放大管，它可以提供17dB功率增益、60W（略大于47dBm）的輸出功率以及此輸出功率下-31dBc的三階交調(diào)抑制度，采用功率回退之后，三階交調(diào)抑制度可以符合指標(biāo)需求。 

 

三級(jí)放大器級(jí)聯(lián)得到的功率增益約67dB左右，為達(dá)到55dB的指標(biāo)要求，在第一級(jí)放大器之前采用π型衰減器對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減。π型衰減器是由三個(gè)電阻組成的衰減器，性能可靠，設(shè)計(jì)調(diào)試十分簡(jiǎn)單，而且能夠非常有效的吸收后級(jí)電路的反射波，可以改善級(jí)間匹配和電路駐波比，在射頻電路中應(yīng)用十分廣泛。這里把它放在第一級(jí)之前，配合隔離器可以得到很好的輸入駐波比。 

 

最后設(shè)計(jì)模塊電路原理圖如下圖2：

 

 

圖2 GSM直放站功率放大器模塊電路原理圖 

 

（4） 原理圖設(shè)計(jì)完成后，就可以根據(jù)原理圖進(jìn)行印制電路版圖的設(shè)計(jì)，之后組裝出樣機(jī)。樣機(jī)調(diào)試完成后，使用射頻儀器實(shí)測(cè)主要指標(biāo)如下： 

 

表2 GSM直放站功率放大器模塊樣機(jī)主要指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

 

 

 

使用頻譜儀實(shí)測(cè)其三階交調(diào)抑制度和帶內(nèi)波動(dòng)的顯示結(jié)果如圖3。從圖上可以看到，該功率放大器樣機(jī)的三階交調(diào)抑制度達(dá)到-48.47dBc，帶內(nèi)波動(dòng)為0.389dB。均大大好于最初設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，取得了非常滿意的性能。

 

 

在射頻功率放大器的設(shè)計(jì)中，電磁兼容和線性化是設(shè)計(jì)者應(yīng)予以重視的兩個(gè)關(guān)鍵問題，本文對(duì)于這兩個(gè)問題的原理和具體實(shí)現(xiàn)措施進(jìn)行了探討，并詳細(xì)分析了GSM直放站功率放大器模塊這個(gè)工程實(shí)例的具體設(shè)計(jì)過程。通過樣機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)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(shè)計(jì)工程師作為參考。