射频功率放大器的类型与非线性基础
随着现代数字移动通信技术的蓬勃发展，用户对无线通信设备的性能提出了越来越高的要求，而在各类环境下实现稳定、高速的数据传输，已成为未来移动通信系统研究人员的核心目标之一。在这一背景下，射频功率放大器的作用愈发关键。在发射机的前端电路中，调制振荡器产生的射频信号功率极小，需依次经过缓冲放大、中间放大及最终的功率放大等多个阶段，才能获得足够的射频功率实现馈电。因此，若要得到足够大的射频输出功率，射频功率放大器是必不可少的核心组件。作为发射器的最后一级，射频功率放大器承担着将调制后的频段信号放大至所需功率的重要任务。其核心作用体现在三个方面：一是确保覆盖区域内的接收器能接收到满意的信号电平；二是避免对相邻频道的通信造成显著干扰；三是尽可能保证放大后的高功率信号不失真。这些多维度的要求，使得在设计和应用射频功率放大器时，必须综合考量诸多因素，以实现性能的最优平衡。今天，我们一起来学习一下射频功率放大器相关的基础。No.1 射频功率放大器的工作原理射频功率放大器的核心任务，便是接收这一低功率的射频信号，并通过特定的电路设计（如利用晶体管的放大特性），将电源提供的直流能量高效地转化为射频信号的交流能量，从而显著提升信号的功率幅度。在这一过程中，放大器需要在保证信号波形不失真的前提下，实现功率的有效放大 —— 既需让输出信号的频率、调制特征与输入信号保持一致，又要确保放大后的功率足以驱动天线发射，使覆盖区域内的接收器能够稳定接收。同时，为避免对相邻频段造成干扰，射频功率放大器还需具备良好的频率选择性，仅对目标频段的信号进行放大，抑制杂散信号的输出。这种对功率放大效率、信号保真度及频谱纯度的综合把控，共同构成了射频功率放大器的核心工作机制。同时，工程师们也提出了很多射频指标来保证射频放大器的正常工作，这些指标包括输出功率、效率、增益、线性度、谐波失真、匹配特性等。1.输出功率输出功率是指射频功率放大器能够提供的最大射频输出功率，通常以瓦特（W）或毫瓦（mW）为单位，当然也可以用dBm作为单位。输出功率决定了放大器能够将信号放大到何种程度，直接影响信号的传输距离和覆盖范围。在测试中，通常使用功率计或频谱分析仪来测量输出功率。2.效率效率是指输出功率与输入直流功率的比值，通常以百分比（%）表示。效率越高，放大器在工作时消耗的直流功率越少，散热需求也越低，从而提高系统的整体性能和可靠性。3. 增益PA的增益是指输出功率与输入功率的比值，通常以分贝（dB）表示。增益反映了放大器对信号的放大能力，是衡量放大器性能的重要指标之一。通过测量输入功率和输出功率，计算其比值的对数。4.线性度线性度是指放大器输出信号与输入信号的线性关系。线性度越好，输出信号的失真越小。良好的线性度可以减少谐波失真和交调失真，避免对邻近频道的干扰。衡量PA线性度的指标通常有 1dB压缩点（P1dB），三阶交调截点和误差矢量幅度（EVM） 1dB压缩点（P1dB）：输出功率比线性增益下降1dB时的输入功率。 三阶交调截点（IP3）：衡量非线性失真的指标，IP3越高，线性度越好。 误差矢量幅度（EVM）：衡量调制信号的线性度，通常用于数字通信系统。5.谐波失真谐波失真是指PA输出信号中谐波分量的幅度与基波分量的幅度之比，通常以分贝（dB）表示。谐波失真越小，信号的纯净度越高，对邻近频道的干扰也越小。衡量指标包括二次谐波失真（2nd Harmonic）和三次谐波失真（3rd Harmonic）。6. 匹配特性匹配就是PA输入和输出阻抗与系统阻抗（通常为50Ω）的匹配程度。我们知道良好的匹配可以最大化功率传输效率，减少反射损耗。衡量指标：• 驻波比（VSWR）：输入或输出端口的电压驻波比，VSWR越接近1，匹配越好。• 回波损耗（Return Loss）：以分贝表示的反射功率与入射功率的比值，数值越大，匹配越好。当然还有这些指标共同决定了放大器的性能和适用性，设计和选择射频功率放大器时需要综合考虑这些因素，以满足具体应用场景的需求。No.2 射频功率放大器的分类按照不同的分类方法，射频放大器可以分为多个类型，主要有一下三种：1）按工作频段按工作频段可分为窄带射频功率放大器和宽带射频功率放大器。前者一般使用频率选择网络作为负载电路，例如 LC 谐振电路。后者不使用频率选择网络作为负载回路，而是采用频率响应宽的传输线作为负载。2）根据网络性质根据匹配网络的性质，功率放大器可分为非谐振功率放大器和谐振功率放大器。非谐振功率放大器的匹配网络是一个非谐振系统，如高频变压器、输电线路变压器和其他非谐振系统，其负载特性是纯电阻性的，这里也称为电抗特性。3）根据电流导通角根据电流导通角，射频功率放大器可分为A类、AB类、B类、C类、D类、E类等。A类功率放大器是一种线性放大器，它对正弦波输入的响应是正弦波输出，一般没有失真放大，输出频率与输入频率相同。由于 A 类放大器不需要额外的滤波电路，因此其封装体积小且成本更低。B 类放大器的输出是输入的半正弦波，导致半波失真，从而产生许多谐波。C 类工作状态的输出功率和效率在这些工作状态中是最高的，用于射频工作的放大器大多在 C 类。A 类放大器A 类放大器设计为与有源器件一起以 360° 全导通方式工作。它的晶体管在 “on” 状态下供电或偏置，消耗电流并在 100% 的时间里使用功率。虽然这种放大器配置提供了非常线性的性能和从输入到输出的最佳信号保真度，但它也是放大器类别中效率最低的，放大器晶体管的漏极效率通常低于 50%。与效率较高的放大器相比，低效率意味着更高的功耗。这通常还意味着必须适当消散有源器件产生的多余热量，以保持性能和预期的工作寿命。多余的热量通常使用导热材料（如散热器）来消散，这会增加设计的尺寸和重量。当需要线性度和低失真且信号电平足够低时，A类放大器配置用于低噪声放大器（LNA）和其他小信号放大器，例如在PA的输入级中。但是，为了在更高的输出功率水平上放大信号，需要不同的放大器配置。B 类放大器在 B 类放大器中，仅使用有源器件导通角的一半或 180°，以节省能源并提高效率。这可以通过有源器件的偏置开和关方式来实现。B 类放大器配置的一个例子是带有两个晶体管的“推挽式”放大器，其中一个晶体管在输入正弦波信号的正部分导通，另一个在负部分导通，增强型正弦波的高功率部分在放大器的输出端组合。由于 B 类放大器中有源器件的导通时间是 A 类放大器中有源器件的一半，因此 B 类放大器的效率可能比 A 类放大器高得多，高达 75%，通常约为 70%，而 A 类放大器的效率不到 50%。但是，器件导通和关闭角度会降低线性度，更高的多音失真（如 IMD）就是证明。AB 类放大器AB 类放大器结合了 A 类和 B 类放大器的元件，以获得两者的优势。AB 类放大器有源器件的导电角约为 270°，高于 B 类的 180°，但小于 A 类的 360°，以平衡良好的线性度和高效率。有源器件在 180° 导通周期后不会完全关闭，并且施加少量偏置能量以有效实现 270° 导通角，从而最大限度地减少因完全关闭器件而导致的交越失真（如 B 类放大器）。AB 类放大器的线性度接近 A 类放大器，但效率要高得多，通常在 50% 到 70% 的漏极效率之间。C 类放大器C 类放大器在调谐和未调谐模式之间切换有源器件，以通常小于 90° 的低导通角工作，比 A、B 或 AB 类放大器（通常大于 80%）效率更高。它们能够实现高输出功率和高增益，但与 A、B 或 AB 类放大器相比，器件工作模式之间的切换往往更非线性，因此该放大器类别不适用于调制信号。其他放大器类（如 D 类、E类、F 类和 G类）甚至专有配置（如 T 类）在多个器件之间使用开关方法或有源器件的偏置方法，以实现高效率和高效率。事实上，D 类放大器更像是开关而不是放大器，它通过脉宽调制 （PWM） 来增强输入信号，并将开关的 PWM 波形重建回放大器输出端输入波形的放大版本。这种非线性放大器通常用于数字音频和电机控制应用。下表显示了这些类别之间的差异：No.3 射频功率放大器的非线性在理想的放大器中，输出信号应忠实地反映输入信号，即波形应相同。但实际上，由于多种原因，输入信号不可能与输入信号完全相同的波形，这称为放大器失真。放大器失真 主要包括频率失真（线性失真）和波形失真（非线性失真）。前者主要是指放大器对不同频率成分的增益和延迟的差异;后者是指相同的频率，输出信号和输入信号不是线性的。频率失真由频域中的频谱变化表示，而非线性失真由时域波形的变化表示。非线性失真与频率失真不同，主要是因为产生了大量的新频率分量。这里主要讨论功率放大器的非线性失真。3.1 非线性特性从理想晶体管的小信号模型和输入特性曲线可以看出，晶体管放大器本身并不是理想的线性器件，同时由于寄生参数的影响，线性度进一步降低。但在一定的功率范围内，晶体管可以看作是线性放大。对于功率放大器设计人员来说，如何获得更高的输出功率并提高线性度是关键。对于晶体管放大器，其伏安特性可以描述如下：幂级数扩展可用于描述器件的伏安特性：在公式中，n（n=0,1,2,3,...） 是与电路特性相关的系数。通常，n 越大，系数 an 的值越小。当电路中的非线性器件用幂级数表示时，采用的级数项的数量完全取决于信号幅度的大小和所需的精度。3.2 非线性特性的影响器件的非线性特性对放大器的影响可以通过两种情况来讨论。一种是当输入端只有一个信号时，另一种是当输入端除了有用信号外还有一到两个其他信号时。🔺输入端只有一个信号 设 输入端的信号为 ，代入公式 2，此时就有了当输入信号的幅度较大，并且必须考虑三次项的影响时，从公式 2 得到的基频信号为：图 5.1dB 压缩点 （PA）公式 3 中的 A3 通常为负值，即 y1（t） 随着输入信号幅度的增加而减小，这种现象称为增益压缩。“1dB 压缩点”在工程中通常用于测量设备的线性性能。1dB 压缩点定义为输入信号功率 P1dB，它使线性增益降低 1dB。如图 5 所示。根据 1dB 压缩点的定义和公式 3，我们可以得到🔺输入端有两个信号。在放大器的输入端放大的信号一般不是单音信号，而是由一定带宽组成的频谱信号。由于器件的非线性，在输出端会产生大量除有用信号以外的组合干扰频率分量。此外，两个或多个干扰信号的组合频率分量也可能对有用信号造成干扰。有一个假设：代入公式 1，其中从上面的公式中可以看出，ω1 和 ω2 的基频分量是由 1 次方项和3次方项产生的：总共生成多个频率分量：ω1、ω2、ω1 ± ω2、2ω1 - ω2、2ω2 - ω1、3ω1 - 2ω2、3ω2 - 2ω1。组合频率中的差频 2ω1 - ω2、2ω2 - ω1 由三次项产生。这两个信号频率的组合刚好在信号频率的边带范围内，可能会对相邻信道造成干扰，是传输信号的主要指标之一。图 6.互调信号干扰这种干扰是由两个信号的相互调制引起的，因此称为互调干扰。同时，它是由三次项产生的，因此在工程中也称为三阶互调干扰。当三阶互调干扰是通信机器的重要指标时，在工程中往往用互调失真比IMR和三阶互调阻塞点IP3来衡量。IMR 定义为三阶互调产物的幅度与特定输入幅度下基波信号幅度的比值。IP3的定义：当三阶互调分量增加到等于基频分量时，接收器无法 正常接收，因此出现一个 。图 7.三阶互调阻塞点🔺边带信号图 8.边带信号和频谱事实上，大多数边带信号是在带宽内不同频率的有用信号相互调制后产生的。也就是说，边带信号比带内信号上升得更快，上图中的频谱掩码变得越来越平坦。边带信号的增加会对相邻信道造成干扰，因此 IEEE 802.11 协议对频谱模板有严格的要求，如图 9 所示。图 9.DSSS 信号调制频谱模板图 10.OFDM 20MHz 带宽信号频谱模板对于功率放大器来说，其非线性特性会增加调制信号的边带，而边带幅度不容易被滤波器等其他网络抑制，容易造成设计困难。因此，在选择 PA 时，不仅要注意它能实现的最大线性输出，还要注意它是否能满足这个输出功率下的边带频谱要求。🔺非线性的其他影响 除了前面提到的增益下降（会产生大量谐波分量）以及三阶交调和边带外，非线性还会导致信号和 EVM 恶化等。No.4 射频功率放大器常见题目1. 什么是射频功率放大器？射频功率放大器（RF 功率放大器）是一种将低功率射频信号转换为高功率信号的电子放大器。2. 射频功率放大器是如何工作的？射频放大器实际上是一种调谐放大器，它使广播或传输信息的输入信号能够控制输出信号。RF 放大器使用频率确定网络将输入信号转换为输出信号，该输出信号将在给定频率下提供所需的响应。3. 最高效的射频功率放大器是什么？C 类放大器C 类放大器设计在此处提到的放大器类别中具有最高的效率，但线性度最差。前面的类 A、B 和 AB 被认为是线性放大器，因为输出信号的幅度和相位与输入信号的幅度和相位呈线性关系。4. 如何选择射频功率放大器？选择 RF 功率放大器时的注意事项：增益。工作频率。输出功率水平。效率。线性。Mismatch Tolerance（失配容差）。噪音级别。5. 射频放大器有哪些优点？以下是射频放大器的优点：射频放大器提供更大的增益，即更好的灵敏度。它提供更好的选择性，因此能够从 RF 接收器的多个输入信号中选择所需的信号。6. 射频放大器有哪些不同类型？放大器类型宽带放大器增益模块放大器对数放大器可变增益放大器低噪声放大器同轴和波导功率放大器线性放大器双向放大器7. 什么是射频放大器电路？射频功率放大器（RF power amp升压器）是一种将低功率射频信号转换为高功率信号的电子电路。8. D 类放大器比 AB 类好吗？最常见的音频功率放大器在 AB 类模式下工作。它以最小的失真提供最大的输出功率。...D 类放大器是比 AB 类放大器更高效、产生的热量更少的开关。9. 射频放大器是做什么用的？每当人们需要将射频信号放大为更高功率的信号时，射频放大器就起着关键作用。它们用于商业和国防航空电子设备、太空和深空、电子战、海军应用、移动互联网、卫星通信和无线通信。10. 射频放大器使用哪个放大器？使用 LDMOS（横向扩散 MOSFET）的射频功率放大器是无线通信网络（尤其是移动网络）中使用最广泛的功率半导体器件。基于 LDMOS 的射频功率放大器广泛用于 2G、3G 和 4G 等数字移动网络。 来源：射频学堂
