什么是高功率放大器

1、用途及特點在無線通信系統(tǒng)，高功放（HPA）是發(fā)信電路重要組成部份。通常，它由多級放大器構(gòu)成，其輸出端是發(fā)射鏈路最高電平點，它經(jīng)雙工器與發(fā)射天線連接。 HPA在發(fā)信電路部位如圖1所示。

高功放主要作用，是在發(fā)射頻率上，將低電平信號放大到遠(yuǎn)距離傳輸所要求的高功率電平。

因頻段、傳輸距離、天線增益、信號調(diào)制方式等因素，不同發(fā)射機HPA輸出功率差異甚大。在常用微波頻段（800MHz~28GHz）可從幾十瓦到幾十毫瓦不等。 高功放電路特點： （1） 在大容量（或多載波）數(shù)字通信系統(tǒng)，設(shè)計HPA電路尤其是末級電路，常發(fā)生大功率輸出與線性要求之間矛盾。經(jīng)常采用三種解決辦法 * 采用平衡放大電路，其合成輸出功率較單管增加一倍且保持單管線性。在常用微波頻段經(jīng)常用下圖所示正交混合電路（或3dB橋）實現(xiàn)功率合成。

* 采用預(yù)失真補償電路，設(shè)計一個預(yù)失真網(wǎng)絡(luò)使它產(chǎn)生的三階互調(diào)與HPA三階互調(diào)在輸出合路器中相互抵消。構(gòu)成方式如下圖所示，

予失真補償電路設(shè)計復(fù)雜、帶寬窄，使用不普遍。*在HPA前級設(shè)置自動電平控制（ALC）電路，通過末級輸出耦合檢波直流，控制PIN衰耗，保持輸出功率恒定。防止因前級輸入電平過高因飽和失真。該方法只能予防失真而不能改善失真， （注：ALC與大容量長距離數(shù)字微波采用的ATPC不同，前者是以保持發(fā)射機輸出功率恒定，防止失真為目的，采用的是開環(huán)控制方式。而自動發(fā)射功率控制（ATPC）是發(fā)射機功率受控于對端接收電平，當(dāng)電波傳播發(fā)生深度平衰落時，提高發(fā)射功率，最大可達(dá)到額定功率。在正常傳輸時間里使發(fā)射功率小于額定功率10dB。采用的是閉環(huán)控制方式。是以減輕干擾、抗平衰落為目的。） （2）HPA采用的大功率器件都呈現(xiàn)極低的輸入、輸出阻抗，其阻抗實部絕對值很小，都在1~3歐姆左右，而容抗和引線電感很大。對這樣的大功率器件進行輸入、輸出和級間匹配非常困難。因單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)的發(fā)展，許多廠家已制造出輸入輸出內(nèi)匹配的大功率器件，大大地緩解設(shè)計難度。 （3）HPA輸出級必須要考慮空載保護。若與輸出負(fù)載間發(fā)生嚴(yán)重失配（如，連接天線饋線開路或短路）末級與輸出負(fù)載電路之間將產(chǎn)生大駐波電壓，駐波峰值電壓一旦落在器件漏極，它與供電電壓迭加將使器件擊穿。 在微波頻段常采取二種保護方法，在4GHz以上頻段借助于輸出隔離器中的反向吸收負(fù)載R吸收反射波，它如下圖所示， 在低頻段常用定向耦合器（Diectional coupler）檢測反射波，超出定值時自動切斷功放電源并發(fā)出告警。工作示意圖如下 設(shè)計工程師可根據(jù)工作頻率、電路結(jié)構(gòu)選取分布參數(shù)或集中參數(shù)定向耦合器。 （注：定向耦合器是互易器件，當(dāng)信號從原規(guī)定的“IN”口輸入改為“OUT”口輸入時，其耦合口“COUP”和隔離口“ISO”也將互換。定向耦合器常用二個參數(shù)表征如下： 耦合量 CdB = 10log(Pco/Pin) 方向性 DdB = 10log(Pco/Pis)其中 Pin , Pco , Pio 分別為入口輸入功率、耦合口及隔離口輸出功率。）（4）目前在HPA電路常用高頻大功率砷化鎵場效應(yīng)晶體管（GaAsFET）或者用其管芯制作的MMIC“放大塊”，開關(guān)機時，如柵偏壓稍遲后于漏壓或無柵壓時即會損壞。因而偏置電路要有保護措施，下圖為保護措施之一。 根據(jù)所用器件，高功放大致可分成三種類型： * 硅雙極晶體管（Si Bipolar Transistor）功率放大器。在大功率放大時，單管增益及效率低，帶寬窄，線性及反向隔離差，它通常用于3GHz以下頻段，其優(yōu)點是便宜和不需負(fù)偏壓。但目前已逐漸被場效應(yīng)晶體管功放所代替。 * 砷化鎵場效應(yīng)晶體管（GaAs Field-Effect Transistor）功率放大器。它包括由砷化鎵場效應(yīng)晶體管管芯制成的內(nèi)匹配單片微波集成電路（MMIC）。這類器件工作頻率及效率高，線性及反向隔離性能都優(yōu)于硅雙極晶體管，目前商用化器件最高工作頻率可達(dá)40GHz,實驗室可達(dá)80GHz。尤其內(nèi)匹配MMIC集成功放塊帶寬寬、穩(wěn)定得到普遍應(yīng)用。需要負(fù)偏置及偏置保護電路是缺點。 *砷化鎵異結(jié)質(zhì)雙極晶體管（GaAs Heterojunction Bipolar Transistor）功率放大器。這種器件特別適宜功放應(yīng)用，它有砷化鎵場效應(yīng)晶體管一樣好的性能（特別在線性和高耐壓性能上更好些），同時它又克服了需要負(fù)偏置及偏置保護電路的缺點。它發(fā)展歷史較短（走出實驗室僅十年）在大功率應(yīng)用可靠性上人們還不放心。 2、電路構(gòu)成及工作原理高功放只是發(fā)信設(shè)備的一個組成部分，它的構(gòu)成和功能完全取決于整個設(shè)備性能的要求。不同用途的發(fā)信設(shè)備其具體電路構(gòu)成和實現(xiàn)的功能會有差別。例如下面給出的7GHz微波發(fā)射機功放電路其輸入為恒定電平，該電路不帶ALC功能。功能框圖及主要電路組成如圖2所示。 圖2 給出7GHz 發(fā)射機功放框圖和主要電路。該電路由五級放大組成，前四級為單管串聯(lián)放大，末級為平衡功率放大。按各級功能和所處位置也可稱作低噪聲放大級、驅(qū)動級、末前級、末級。整個放大器采用二種封裝工藝砷化鎵場效應(yīng)器件，前三級放大用分立元件場效應(yīng)晶體管，后二級用單片微波集成電路MMIC，并采用帶保護電路的雙極性偏置電壓（具體電路省略）。該電路總增益40dB,線性輸出2瓦（33dBm）。各部分作用：低噪聲放大級- 眾所周知，變頻式發(fā)射機輸出噪聲主要成分是調(diào)相噪聲，其主要來源是發(fā)射振蕩器產(chǎn)生的相位噪聲。所以在發(fā)射機指標(biāo)中都要規(guī)定振蕩器相噪，而對這類發(fā)射機中的HPA熱噪聲要求不高，通常HPA噪聲系數(shù)在6~ 8dB時都可滿足要求。在直放式發(fā)射機中，盡管輸出噪聲主要成分是熱噪聲，因直放機收信輸入端都有精心設(shè)計的高增益低噪聲放大器（LNA），它有足夠高的增益和極小噪聲系數(shù)，從而減輕了對HPA低噪聲要求。相對于接收機低噪聲放大級而言，在HPA中提出低噪聲放大概念似乎不恰當(dāng)，但它畢竟是多級級聯(lián)放大器輸入級，是HPA本身熱噪聲的主要來源，相對HPA其他級而言，對HPA前級要提出低噪聲高增益要求。 驅(qū)動級- 采用平衡式末級輸出方案時，末前級輸出功率與末級單管輸出功率幾乎相近，它為末前級提供足夠地輸入激勵功率。驅(qū)動級通常采用中功率輸出器件。末前級- 末前級功放主要作用是補償末級輸入正交耦合器分路損耗（3dB），并為二只并聯(lián)末級功放管提供輸入功率。 末級- 如圖2所示，它采用二只相同特性的MMIC功率放大塊和二只相同特性的正交耦合器組成平衡功率放大器。為取得良好性能，上、下二支路應(yīng)當(dāng)在工作頻段保持幅度、相位特性相同。這樣結(jié)構(gòu)的輸出功放有三個特點，* 較單管線性最大輸出功率提高3dB。* 如下圖所示，利用輸入端正交耦合器相位正交特性，使上、下二支路放大管入端反射波在正交耦合器入口抵消，有效地改善了末級與末前級之間匹配。

那么，它從輸出端口2和4反射到端口1的合成反射波為Vref= (Vrsm/2) S11 e (-iωt+iΘ+180) + (Vrsm/2) S11 e (-iωt+iΘ)=0 ，

即表明，當(dāng)正交耦合器輸出端口2和4接相同負(fù)載時，返回到端口1的合成反射波抵消。實際電路不會理想對稱，合成反射波不會完全抵消，然而卻能顯著地改善末級與末前級之間匹配。* 當(dāng)某一MMIC放大塊損壞時，另一放大塊仍可正常工作（僅功率較原先降低6dB）。隔離器- 該器件輸入、輸出阻抗在很寬頻帶內(nèi)等于特性阻抗，并且正向傳輸損耗很?。ㄍǔ?.5dB以下）而反向傳輸損耗很大（通常25dB以上），即有單向傳輸特性。它常用在多級高增益放大器的輸入、輸出、級間電路吸收反射波改善匹配，使帶內(nèi)正向傳輸特性（如幅頻特性、時延特性）更平坦，同時它又在很寬頻帶內(nèi)產(chǎn)生反向損耗，減小后級對前級耦合，從而有效防止帶內(nèi)、帶外自激。其中末級輸出隔離器還肩負(fù)輸出負(fù)載開路保護作用。末級耦合輸出-用于輸出功率監(jiān)測。 3、高功放電氣特性這里討論的高功放，它是具體發(fā)射機的一部分，對電氣指標(biāo)要求以及指標(biāo)項目規(guī)定完全取決于正機指標(biāo)的規(guī)定和分配，它與商用說明書供用戶選用參考的通用放大器所規(guī)定的指標(biāo)和項目有所不同。 1） 工作頻段-是指放大器滿足或優(yōu)于所規(guī)定的電氣性能時，實際所要求的工作頻率范圍。（注：放大器是寬帶部件，其3dB帶寬較“工作頻段”寬得多。） 2） 額定輸出功率-在規(guī)定的輸入電平和滿足傳輸線性條件下，在規(guī)定的負(fù)載上所要求的輸出功率值。為滿足工作溫度變化，通常以常溫值為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上、下限，如 P+0dB-2dB 。輸出功率是絕對值，單位用W,mw,dBm,dBw表示 。（注：在測試發(fā)射機額定輸出功率指標(biāo)時，必須在調(diào)制狀態(tài)下用功率計測試，而高功放應(yīng)在工作載波狀態(tài)下用頻譜儀測試。） 3） 增益-放大信號輸出與輸入功率之比，它是相對量，通常用dB表示。通常在中心頻率額定輸出電平下測量。 4） 幅頻特性（或帶內(nèi)波動）-它定義為放大信號輸出幅度隨頻率的變化量。它用工作頻率范圍內(nèi)最大輸出幅度與最小幅度（用dB單位）差值表示。該差值即是用dB表示的放大器輸出幅度隨頻率變化的峰-峰值。例如，要求帶內(nèi)波動小于等于0.3dB時，可表示為ΔAp-p≤0.3dB。應(yīng)指出，該指標(biāo)不計入幅度隨溫度的變化量。當(dāng)放大器件確定后，放大器幅頻特性主要決定因素是 輸入、輸出、級間匹配特性。該參數(shù)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量。

5） 傳輸（相對）時延（或傳輸相位特性）-它定義為放大信號通過放大器所需要的傳輸時間隨頻率的變化量。它用工作頻率范圍內(nèi)最大傳輸時間與最小傳輸時間（用ns,μs單位）差值表示。該差值即表示放大器傳輸（相對）時延峰-峰值。例如，要求帶內(nèi)(相對)時延小于等于3ns時，可表示為Δτp-p≤3ns。應(yīng)指出，該指標(biāo)不計入時延隨溫度的變化量。當(dāng)放大器件確定后，時延主要決定輸入、輸出、級間電路匹配及電抗特性。f_hf_lτ_minτ_max

Δτp-p=3ns

該參數(shù)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量。 6） 噪聲系數(shù)-定義輸入信噪比與輸出信噪比的比值，Nf =(Si/Ni)/ (So/No)Nf dB=10log(Nf)(注-噪聲系數(shù)另種表示方法（它在衛(wèi)星通信中常用），用噪聲溫度表示Tn,單位kelvin, 二者關(guān)系：Nf dB=10log(Tn/290+1) 。) 7） 雜散發(fā)射（Spurious emissions）-尚未見到通用定義，具體定義及測試方法必須參照相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。例如，在英國郵電部（MPT1407）標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)字微波發(fā)射機雜散定義為：必要帶寬以外頻率發(fā)射（并且不包括由調(diào)制過程產(chǎn)生的必要帶寬以外頻率的發(fā)射），必要帶寬定義為二倍的傳輸符號率。同時指明必須在載波狀態(tài)下測量。盡管各系統(tǒng)雜散發(fā)射定義有所差異，但下述概念一致*雜散發(fā)射包括諧波發(fā)射、寄生（自激）發(fā)射、互調(diào)產(chǎn)物、變頻產(chǎn)物，*雜散發(fā)射值用規(guī)定的參考帶寬內(nèi)平均功率表示，*用頻譜儀測量。功放是發(fā)射機一個部件，功放雜散發(fā)射測量頻率范圍及指標(biāo)規(guī)定應(yīng)由具體發(fā)射機分配而定。功放雜散產(chǎn)物主要是寄生發(fā)射，建議在加載波和不加載波二種狀態(tài)下測量?；フ{(diào)失真-在工作頻帶二個或以上單音信號通過功放后，因放大器非線性在其輸出端產(chǎn)生諧波及組合頻率產(chǎn)物，用它衡量放大器線性。 通常用二個單音在額定輸出電平測量。雙音互調(diào)失真譜如下圖，通常二階和三階產(chǎn)物是主要成分且距工作頻帶最近。僅為了衡量通帶內(nèi)放大器線性且?guī)捫∮谝粋€倍頻程時，經(jīng)常將三階互調(diào)和互調(diào)失真等同，并只測三階互調(diào)。當(dāng)測一個系統(tǒng)的互調(diào)衰減時應(yīng)根據(jù)所規(guī)定的測量頻率范圍對所有的互調(diào)產(chǎn)物測量。

用二個單音測量三階互調(diào)時，可用二種方法表示互調(diào)失真，用絕對電平 Pim3 (dBm)用相對電平 (IM3)dB=10log(P im3/P) (dBc)假如知道輸入信號功率Pin和放大器輸出三階截斷點OIP3及增益G，可求出 三階互調(diào)絕對電平 Pim3=3（Pin+G）- 2OIP3 (dBm) 三階互調(diào)相對電平 ( IM3)dB=-2{OIP3-（Pin+G）} (dBc) 應(yīng)指出，上述公式是近似公式，僅用于選取放大器時參考。如果僅知道放大器1dB增益壓縮點P1dB，可近似估算OIP3≈10+ P1dB 。 多級放大器互調(diào)失真計算：

其中(IM3)1 ,......(IM3)n 為用功率比值表示的每級互調(diào)失真，(IM3)TOT為總互調(diào)失真。當(dāng)每級互調(diào)電壓相位彼此無關(guān)時，用功率比值表示的總互調(diào)失真與每級關(guān)系

(IM3)TOT=(IM3)1+(IM3)2+......+(IM3)N 當(dāng)每級互調(diào)電壓相位同相時，用功率比值表示的總互調(diào)失真與每級關(guān)系 [(IM3)TOT]1/2=[(IM3)1]1/2+[(IM3)2]1/2+......+[(IM3)N]1/2 舉例，三級放大器要求總互調(diào)失真 [ (IM3)TOT]dB=-52dBc,分配給第一級互調(diào)量占總互調(diào)10% ,第二級占總互調(diào)20% ，末級占總互調(diào)70% 。用二種方法計算每級互調(diào)失真。 當(dāng)認(rèn)為每級互調(diào)電壓相位彼此無關(guān)時，用前一公式得到 [ (IM3)1]dB=-62.00dBc, [ (IM3)2]dB=-58.99dBc, [ (IM3)1]dB=-53.55dBc, 當(dāng)認(rèn)為每級互調(diào)電壓相位同相時，用后一公式得到 [ (IM3)1]dB=-72.00dBc, [ (IM3)2]dB=-65.99dBc, [ (IM3)1]dB=-55.10dBc 。 輸入和輸出駐波比VSWR-放大器的VSWR是放大器的實際阻抗離開所規(guī)定的阻抗Z0的量度，它可以由反射系數(shù)導(dǎo)出ρ=(Z- Z0)/ (Z+ Z0) VSWR=(1+︱ρ︳)/ (1-︱ρ︳) ,它的另種表示方法是反射（回波）損耗ρdB =20log︱ρ︳ (dB) 放大器動態(tài)范圍-動態(tài)范圍有多種定義，經(jīng)典定義有二種，線性動態(tài)范圍定義和無雜散動態(tài)范圍。線性動態(tài)范圍定義為放大器輸入口最小可檢測信號與放大器滿足線性要求時最大輸入電平之間的差值。無雜散動態(tài)范圍定義為當(dāng)放大器最小可檢測輸出電平與放大器輸入等雙音時在輸出口產(chǎn)生的互調(diào)相等時，放大器輸入口最小可檢測信號與放大器等雙音輸入電平差值。上定義在放大器不常用，因HPA關(guān)心的是最大線性功率輸出。

為設(shè)計者能根據(jù)所規(guī)定的最小檢測電平計算放大器動態(tài)范圍，往往給出HPA的1 dB 壓縮點輸出功率P1dB （或者OIP3）以及 噪聲系數(shù)Nf dB ，再比較計算動態(tài)范圍。