高功率放大器(HPA)基础知识

高功率放大器(HPA)基础知识

1、用途及特点

在无线通信系统，高功放（HPA）是发信电路重要组成部份。通常，它由多级放大器构成，其输出端是发射链路最高电平点，它经双工器与发射天线连接。

HPA在发信电路部位如图1所示。

高功放主要作用，是在发射频率上，将低电平信号放大到远距离传输所要求的高功率电平。因频段、传输距离、天线增益、信号调制方式等因素，不同发射机HPA输出功率差异甚大。在常用微波频段（800MHz~28GHz）可从几十瓦到几十毫瓦不等。

高功放电路特点：

（1）在大容量（或多载波）数字通信系统，设计HPA电路尤其是末级电路，常发生大功率输出与线性要求之间矛盾。经常采用三种解决办法

* 采用平衡放大电路，其合成输出功率较单管增加一倍且保持单管线性。在常用微波频段经常用下图所示正交混合电路（或3dB桥）实现功率合成。

* 采用预失真补偿电路，设计一个预失真网络使它产生的三阶互调与HPA三阶互调在输出合路器中相互抵消。构成方式如下图所示，

予失真补偿电路设计复杂、带宽窄，使用不普遍。

*在HPA前级设置自动电平控制（ALC）电路，通过末级输出耦合检波直流，控制PIN衰耗，保持输出功率恒定。防止因前级输入电平过高因饱和失真。该方法只能予防失真而不能改善失真，

（注：ALC与大容量长距离数字微波采用的ATPC不同，前者是以保持发射机输出功率恒定，防止失真为目的，采用的是开环控制方式。而自动发射功率控制（ATPC）是发射机功率受控于对端接收电平，当电波传播发生深度平衰落时，提高发射功率，最大可达到额定功率。在正常传输时间里使发射功率小于额定功率10dB。采用的是闭环控制方式。是以减轻干扰、抗平衰落为目的。）

（2）HPA采用的大功率器件都呈现极低的输入、输出阻抗，其阻抗实部绝对值很小，都在1~3欧姆左右，而容抗和引线电感很大。对这样的大功率器件进行输入、输出和级间匹配非常困难。因单片微波集成电路（MMIC）技术的发展，许多厂家已制造出输入输出内匹配的大功率器件，大大地缓解设计难度。

（3）HPA输出级必须要考虑空载保护。若与输出负载间发生严重失配（如，连接天线馈线开路或短路）末级与输出负载电路之间将产生大驻波电压，驻波峰值电压一旦落在器件漏极，它与供电电压迭加将使器件击穿。

在微波频段常采取二种保护方法，在4GHz以上频段借助于输出隔离器中的反向吸收负载R吸收反射波，它如下图所示，

在低频段常用定向耦合器（Diectional coupler）检测反射波，超出定值时自动切断功放电源并发出告警。工作示意图如下

设计工程师可根据工作频率、电路结构选取分布参数或集中参数定向耦合器。

（注：定向耦合器是互易器件，当信号从原规定的“IN”口输入改为“OUT”口输入时，其耦合口“COUP”和隔离口“ISO”也将互换。定向耦合器常用二个参数表征如下：

耦合量 CdB = 10log(Pco/Pin)

方向性 DdB = 10log(Pco/Pis)

其中 Pin , Pco , Pio 分别为入口输入功率、耦合口及隔离口输出功率。）

（4）目前在HPA电路常用高频大功率砷化镓场效应晶体管（GaAsFET）或者用其管芯制作的MMIC“放大块”，开关机时，如栅偏压稍迟后于漏压或无栅压时即会损坏。因而偏置电路要有保护措施，下图为保护措施之一。

根据所用器件，高功放大致可分成三种类型：

* 硅双极晶体管（Si Bipolar Transistor）功率放大器。在大功率放大时，单管增益及效率低，带宽窄，线性及反向隔离差，它通常用于3GHz以下频段，其优点是便宜和不需负偏压。但目前已逐渐被场效应晶体管功放所代替。

* 砷化镓场效应晶体管（GaAs Field-Effect Transistor）功率放大器。它包括由砷化镓场效应晶体管管芯制成的内匹配单片微波集成电路（MMIC）。这类器件工作频率及效率高，线性及反向隔离性能都优于硅双极晶体管，目前商用化器件最高工作频率可达40GHz,实验室可达80GHz。尤其内匹配MMIC集成功放块带宽宽、稳定得到普遍应用。需要负偏置及偏置保护电路是缺点。*砷化镓异结质双极晶体管（GaAs Heterojunction Bipolar Transistor）功率放大器。这种器件特别适宜功放应用，它有砷化镓场效应晶体管一样好的性能（特别在线性和高耐压性能上更好些），同时它又克服了需要负偏置及偏置保护电路的缺点。它发展历史较短（走出实验室仅十年）在大功率应用可靠性上人们还不放心。

2、电路构成及工作原理

高功放只是发信设备的一个组成部分，它的构成和功能完全取决于整个设备性能的要求。不同用途的发信设备其具体电路构成和实现的功能会有差别。例如下面给出的7GHz微波发射机功放电路其输入为恒定电平，该电路不带ALC功能。

功能框图及主要电路组成如图2所示。

图2 给出7GHz 发射机功放框图和主要电路。

该电路由五级放大组成，前四级为单管串联放大，末级为平衡功率放大。按各级功能和所处位置也可称作低噪声放大级、驱动级、末前级、末级。整个放大器采用二种封装工艺砷化镓场效应器件，前三级放大用分立元件场效应晶体管，后二级用单片微波集成电路MMIC，并采用带保护电路的双极性偏置电压（具体电路省略）。该电路总增益40dB,线性输出2瓦（33dBm）。

各部分作用：

低噪声放大级- 众所周知，变频式发射机输出噪声主要成分是调相噪声，其主要来源是发射振荡器产生的相位噪声。所以在发射机指标中都要规定振荡器相噪，而对这类发射机中的HPA 热噪声要求不高，通常HPA噪声系数在6~ 8dB时都可满足要求。在直放式发射机中，尽管输出噪声主要成分是热噪声，因直放机收信输入端都有精心设计的高增益低噪声放大器（LNA），它有足够高的增益和极小噪声系数，从而减轻了对HPA低噪声要求。

相对于接收机低噪声放大级而言，在HPA中提出低噪声放大概念似乎不恰当，但它毕竟是多级级联放大器输入级，是HPA本身热噪声的主要来源，相对HPA其他级而言，对HPA前级要提出低噪声高增益要求。

驱动级- 采用平衡式末级输出方案时，末前级输出功率与末级单管输出功率几乎相近，它为末前级提供足够地输入激励功率。驱动级通常采用中功率输出器件。

末前级- 末前级功放主要作用是补偿末级输入正交耦合器分路损耗（3dB），并为二只并联末级功放管提供输入功率。

末级- 如图2所示，它采用二只相同特性的MMIC功率放大块和二只相同特性的正交耦合器组成平衡功率放大器。为取得良好性能，上、下二支路应当在工作频段保持幅度、相位特性相同。这样结构的输出功放有三个特点，

* 较单管线性最大输出功率提高3dB。

* 如下图所示，利用输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，有效地改善了末级与末前级之间匹配。

那么，它从输出端口2和4反射到端口1的合成反射波为

Vref= (Vrsm/2) S11 e (-iωt+iΘ+180) + (Vrsm/2) S11 e (-iωt+iΘ)=0 ，

即表明，当正交耦合器输出端口2和4接相同负载时，返回到端口1的合成反射波抵消。实际电路不会理想对称，合成反射波不会完全抵消，然而却能显著地改善末级与末前级之间匹配。

* 当某一MMIC放大块损坏时，另一放大块仍可正常工作（仅功率较原先降低6dB）。

隔离器- 该器件输入、输出阻抗在很宽频带内等于特性阻抗，并且正向传输损耗很小（通常0.5dB以下）而反向传输损耗很大（通常25dB以上），即有单向传输特性。它常用在多级高增益放大器的输入、输出、级间电路吸收反射波改善匹配，使带内正向传输特性（如幅频特性、时延特性）更平坦，同时它又在很宽频带内产生反向损耗，减小后级对前级耦合，从而有效防止带内、带外自激。其中末级输出隔离器还肩负输出负载开路保护作用。

末级耦合输出-用于输出功率监测。

3、高功放电气特性

这里讨论的高功放，它是具体发射机的一部分，对电气指标要求以及指标项目规定完全取决于正机指标的规定和分配，它与商用说明书供用户选用参考的通用放大器所规定的指标和项目有所不同。

1）工作频段-是指放大器满足或优于所规定的电气性能时，实际所要求的工作频率范围。（注：放大器是宽带部件，其3dB带宽较“工作频段”宽得多。）

2）额定输出功率-在规定的输入电平和满足传输线性条件下，在规定的负载上所要求的输出功率值。为满足工作温度变化，通常以常温值为标准规定上、下限，如 P+0dB-2dB 。输出功率是绝对值，单位用W,mw,dBm,dBw表示。（注：在测试发射机额定输出功率指标时，必须在调制状态下用功率计测试，而高功放应在工作载波状态下用频谱仪测试。）

3）增益-放大信号输出与输入功率之比，它是相对量，通常用dB表示。通常在中心频率额定输出电平下测量。

4） 幅频特性（或带内波动）-它定义为放大信号输出幅度随频率的变化量。它用工作频率范围内最大输出幅度与最小幅度（用dB 单位）差值表示。该差值即是用dB 表示的放大器输出幅度随频率变化的峰-峰值。例如，要求带内波动小于等于0.3dB 时，可表示为ΔAp-p≤0.3dB。应指出，该指标不计入幅度随温度的变化量。当放大器件确定后，放大器幅频特性主要决定因素是

输入、输出、级间匹配特性。该参数利用矢量网络分析仪测量。

5） 传输（相对）时延（或传输相位特性）-它定义为放大信号通过放大器所需要的传输时间随频率的变化量。它用工作频率范围内最大传输时间与最小传输时间（用ns,μs 单位）差值表示。该差值即表示放大器传输（相对）时延峰-峰值。例如，要求带内(相对)时延小于等于3ns 时，可表示为Δτp-p≤3ns。应指出，该指标不计入时延随温度的变化量。当放大器件确定后，时延主要决定输入、输出、级间电路匹配及电抗特性。

f h

f l

τ

min τmax

该参数利用矢量网络分析

仪测量。

6） 噪

声系数-定义

输入信噪比与输出信噪比的比值，

Nf =(Si/Ni)/ (So/No)

Nf dB=10log(Nf)

(注-噪声系数另种表示方法（它在卫星通信中常用），用噪声温度表示Tn,单位kelvin, 二者关系：Nf dB=10log(Tn/290+1) 。)

7） 杂散发射（Spurious emissions ）-尚未见到通用定义，具体定义及测试方法必须参照相应的技术标准。

Δτp-p=3ns

例如，在英国邮电部（MPT1407）标准中，数字微波发射机杂散定义为：必要带宽以外频率发射（并且不包括由调制过程产生的必要带宽以外频率的发射），必要带宽定义为二倍的传输符号率。同时指明必须在载波状态下测量。

尽管各系统杂散发射定义有所差异，但下述概念一致

*杂散发射包括谐波发射、寄生（自激）发射、互调产物、变频产物，

*杂散发射值用规定的参考带宽内平均功率表示，

*用频谱仪测量。

功放是发射机一个部件，功放杂散发射测量频率范围及指标规定应由具体发射机分配而定。功放杂散产物主要是寄生发射，建议在加载波和不加载波二种状态下测量。

互调失真-在工作频带二个或以上单音信号通过功放后，因放大器非线性在其输出端产生谐波及组合频率产物，用它衡量放大器线性。

通常用二个单音在额定输出电平测量。双音互调失真谱如下图，通常二阶和三阶产物是主要成分且距工作频带最近。

仅为了衡量通带内放大器线性且带宽小于一个倍频程时，经常将三阶互调和互调失真等同，并只测三阶互调。当测一个系统的互调衰减时应根据所规定的测量频率范围对所有的互调产物测量。

用二个单音测量三阶互调时，可用二种方法表示互调失真，

用绝对电平 Pim3 (dBm)

用相对电平 (IM3)dB=10log(P im3/P) (dBc)

假如知道输入信号功率Pin和放大器输出三阶截断点OIP3及增益G，可求出

三阶互调绝对电平 Pim3=3（Pin+G）- 2OIP3 (dBm)

三阶互调相对电平 ( IM3)dB=-2{OIP3-（Pin+G）} (dBc)

应指出，上述公式是近似公式，仅用于选取放大器时参考。如果仅知道放大器1dB增益压缩点

P1dB，可近似估算OIP3≈10+ P1dB 。

多级放大器互调失真计算：

其中(IM3)1 ,......(IM3)n 为用功率比值表示的每级互调失真，(IM3)TOT为总互调失真。当每级互调电压相位彼此无关时，用功率比值表示的总互调失真与每级关系

(IM3)TOT=(IM3)1+(IM3)2+......+(IM3)N

当每级互调电压相位同相时，用功率比值表示的总互调失真与每级关系

[(IM3)TOT]1/2=[(IM3)1]1/2+[(IM3)2]1/2+......+[(IM3)N]1/2

举例，三级放大器要求总互调失真 [ (IM3)TOT]dB=-52dBc,分配给第一级互调量占总互调10% ,第二级占总互调20% ，末级占总互调70% 。用二种方法计算每级互调失真。

当认为每级互调电压相位彼此无关时，用前一公式得到

[ (IM3)1]dB=-62.00dBc, [ (IM3)2]dB=-58.99dBc, [ (IM3)1]dB=-53.55dBc,

当认为每级互调电压相位同相时，用后一公式得到

[ (IM3)1]dB=-72.00dBc, [ (IM3)2]dB=-65.99dBc, [ (IM3)1]dB=-55.10dBc 。

输入和输出驻波比VSWR-放大器的VSWR是放大器的实际阻抗离开所规定的阻抗Z0的量度，它可以由反射系数导出

ρ=(Z- Z0)/ (Z+ Z0)

VSWR=(1+︱ρ︳)/ (1-︱ρ︳) ,它的另种表示方法是反射（回波）损耗

ρdB =20log︱ρ︳ (dB)

放大器动态范围-动态范围有多种定义，经典定义有二种，线性动态范围定义和无杂散动态范围。

线性动态范围定义为放大器输入口最小可检测信号与放大器满足线性要求时最大输入电平之间的差值。

无杂散动态范围定义为当放大器最小可检测输出电平与放大器输入等双音时在输出口产生的互调相等时，放大器输入口最小可检测信号与放大器等双音输入电平差值。

上定义在放大器不常用，因HPA关心的是最大线性功率输出。

为设计者能根据所规定的最小检测电平计算放大器动态范围，往往给出HPA的1 dB 压缩点输出功率P1dB （或者OIP3）以及噪声系数Nf dB ，再比较计算动态范围。