射频功率放大器
射频功率放大器电路设计
本文主要对射频功率放大器电路设计进行介绍，主要介绍了射频功率放大器电路设计思路部分，以及部分设计线路图一、阻抗匹配设计大多数PA都内部集成了到50欧姆的阻抗匹配设计网络，不过也有一些高功率PA 将输出端匹配放在集成芯片外部，以减小芯片面积。
常用的匹配设计有微带线匹配设计、分立器件匹配设计网络等，在典型设计中有可能会将两者共同使用，以改善因为分立器件数值不连续带来的匹配设计不佳的问题。
PA阻抗匹配设计原理和射频中的阻抗匹配相同，都是共轭匹配设计，主要实现功率的最大传输。
常用工具可以使用Smith圆图来观察阻抗匹配设计变化，同时用ADS软件来完成仿真。
二、谐波抑制由本人微博《射频功率放大器 PA 的基本原理和信号分析》得知，谐波一般是由器件的非线性产生的倍频分量。
谐波抑制对于CE、FCC认证显得尤为重要。
由于谐波的频率较分散，所以一般采用无源滤波器来衰减谐波分量，达到抑制谐波的效果。
不仅PA，其它器件包括调制信号输出端都有可能产生谐波，为了避免PA对谐波进行放大，有必要在PA输入端即添加抑制电路。
上图所示无源滤波器常用于2.4G频段的芯片输出端位置，该滤波器为五阶低通滤波器，截止频率约为3GHz，对2倍频和3倍频的抑制分别达到45.8dB和72.8dB。
使用无源滤波器实现谐波抑制有以下优点：l 简单直接，成本有优势l 良好的性能并且易于仿真l 可以同时实现阻抗匹配设计三、系统设计优化系统设计优化主要从电源设计，匹配网络设计出发，实现PA性能的稳定改善。
3.1 电源设计功率放大器是功耗较大的器件，在快速开关的时候瞬间电流非常大，所以需要在主电源供电路径上加至少10uF的陶瓷电容，同时走线尽量宽，让电容放置走线上，充分利用电容储能效果。
PA供电电源一般有开关噪声和来自其它模块的耦合噪声，可以在PA靠近供电管脚处放置一些高频陶瓷电容。
有必要也可以加扼流电感或磁珠来抑制电源噪声。
从SE2576L的结构框图可以看出，该PA一共由三级放大组成，每一级都单独供电，前面两级作为小信号电压增大以及开关偏置电路，其工作电流较小，最后一级功率放大，其电流很大。
射频功率放大器
射频功率放大器射频功率放大器(RF PA)是各种无线发射机的重要组成部分。
在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。
为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。
目录一、什么是射频功率放大器二、射频功率放大器技术指标三、射频功率放大器功能介绍四、射频功率放大器的工作原理五、射频放大器的芯片六、射频功率放大器的技术参数七、射频放大器的功率参数八、射频功率放大器组成结构九、射频功率放大器的种类正文一、什么是射频功率放大器射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。
射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。
除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。
射频功率放大器是对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题作综合考虑的电子电路。
在发射系统中，射频功率放大器输出功率的范围可以小至mW，大至数kW，但是这是指末级功率放大器的输出功率。
为了实现大功率输出，末前级就必须要有足够高的激励功率电平。
射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，是研究射频功率放大器的关键。
而对功率晶体管的要求，主要是考虑击穿电压、最大集电极电流和最大管耗等参数。
为了实现有效的能量传输，天线和放大器之间需要采用阻抗匹配网络。
二、射频功率放大器技术指标1、工作频率范围一般来讲，是指放大器的线性工作频率范围。
如果频率从DC开始，则认为放大器是直流放大器。
2、增益工作增益是衡量放大器放大能力的主要指标。
增益的定义是放大器输出端口传送到负载的功率与信号源实际传送到放大器输入端口的功率之比。
增益平坦度，是指在一定温度下，整个工作频带范围内放大器增益的变化范围，也是放大器的一个主要指标。
3、输出功率和1dB压缩点(P1dB)当输入功率超过一定量值后，晶体管的增益开始下降，最终结果是输出功率达到饱和。
射频放大器的原理
射频放大器的原理射频放大器是一种用于放大高频信号的电路，常用于无线通信、雷达、电视广播等领域。
其原理基于晶体管或场效应管等半导体器件的非线性特性，将输入信号经过放大后输出到负载上。
本文将从以下几个方面详细介绍射频放大器的原理。
一、射频放大器的分类根据功率级数可将射频放大器分为单级和多级两种；根据工作方式可分为A类、B类、AB类和C类等；根据负载特性可分为共源、共漏和共基三种。
不同类型的射频放大器适用于不同的应用场合，需要根据具体情况进行选择。
二、晶体管与场效应管晶体管和场效应管是射频放大器中常用的半导体器件。
晶体管包括NPN型和PNP型两种，其工作原理基于PN结的正向偏置和反向截止；而场效应管则有N型和P型两种，其工作原理基于栅极电压对沟道电阻的调制。
三、射频信号与直流偏置在设计射频放大器时，需要考虑输入输出阻抗匹配以及直流偏置的设置。
输入输出阻抗匹配可以提高电路的效率和稳定性，而直流偏置则可以使晶体管或场效应管处于合适的工作状态，避免过度失真或损坏。
四、放大器的增益与带宽射频放大器的增益和带宽是两个重要参数。
增益表示输出信号与输入信号之间的比值，一般用分贝表示；带宽则是指放大器能够正常工作的频率范围。
在实际设计中需要综合考虑增益和带宽的平衡，以达到最佳性能。
五、射频放大器的稳定性射频放大器在工作时容易出现不稳定现象，如自激振荡、交叉调制等。
为了保证电路的稳定性，需要采取一系列措施，如选择合适的反馈网络、加入衰减器等。
六、射频功率放大器射频功率放大器是一种专门用于输出高功率信号的电路。
与普通射频放大器相比，其具有更高的功率级数和更强的抗干扰能力。
在无线通信、雷达等领域中广泛应用。
七、射频放大器的应用射频放大器广泛应用于无线通信、雷达、电视广播等领域。
在无线通信中，射频放大器常用于功率放大和信号调制；在雷达中，射频放大器则是实现高精度测量和目标探测的关键部件；在电视广播中，射频放大器则是将低功率信号转化为适合传输的高功率信号的重要组成部分。
射频功率放大器简介介绍
在无线通信系统中，射频功率放 大器将基带信号转换为高频信号 ，并将其放大到足够的功率水平 ，以便通过天线进行传输。
射频功率放大器的分类
01
02
03
按工作频率
可分为低频射频功率放大 器、高频射频功率放大器 、微波射频功率放大器等 。
按用途
可分为通用射频功率放大 器和专用射频功率放大器 。
按功率等级
频率范围与相位噪声
RF2301的工作频率范围为1.7 to 2.6 GHz， 相位噪声性能在偏离中心频率10 kHz时为85 dBc/Hz。
该芯片在无线通信系统中的应用与测试结果
应用场景
01
RF2301适用于多种无线通信系统，如蓝牙、Wi-Fi和
Zigbee等。
测试环境与配置
02 在实验室环境中，使用信号源、频谱分析仪和功率计
制造难点
由于射频功率放大器的工作频率较高 ，因此对芯片的设计和制造工艺要求 较高，同时对封装材料和形式也有特 殊要求。
解决方案
采用先进的芯片制造技术和高品质的 封装材料，优化设计以降低寄生效应 ，提高性能和可靠性。
05
射频功率放大器的发展趋势与 展望
射频功率放大器的发展趋势与展望
• 射频功率放大器是一种用于将低功率信号放大到高功率信号的电子设备，广泛应用于通信、雷达、电子战等领 域。下面将对射频功率放大器的基本概念、发展历程、研究热点、发展趋势和未来研究方向进行详细介绍。
电子战系统需要使用射频功率放大器来放大干扰信号，以干扰 敌方通信和雷达系统。
一些医疗设备需要使用射频功率放大器来放大微弱信号，以便 进行精确的诊断和治疗。
02
射频功率放大器的基本原理
射频功率放大器的电路组成
射频功率放大器介绍
情况说明
产品名称：半导体器件测试系统
税号:9030820000
报关单号:010120151015529312
一、进口产品整体情况说明
PAx-ac型的半导体器件测试系统针对不同的半导体器件开发的测试程序，测试半导体器件的各项功能是否合格，如测试数字器件在特定向量下是否工作正常；或者测试射频器件的直流、功率、调变功率、最大功率、信号衰减度是否合格。
如下图所示，该系统主要包括测试主机、测试头及支架、计算机三个部分，其中本次进口的部分为测试主机、测试头及支架，计算机从国内采购。
计算机
二、关于被测样品的说明
射频功率放大器，即将输入的内容加以放大并输出。
输入和输出的内容，我们称之为“信号”，往往表示为电压或功率。
射频功率放大器(PA)用于将收发器输出的射频信号放大。
功率放大器领域
是一个独立的领域，也是手机里无法集成化的元件，同时这也是手机中最重要的
元件，手机性能、占位面积、通话质量、手机强度、电池续航能力都由功率放大
器决定。
射频功率放大器（RF PA）是各种无线发射机的重要组成部分。
在发射机
的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放
大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈
送到天线上辐射出去。
为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大
器。
射频功率放大器简介(1)
匹配设计
成功地设计微波功率放大器的关键是设计阻抗匹配网络。在任 何一个微波功率放大器设计中，错误的阻抗匹配将使电路不稳定，同 时会使电路效率降低和非线性失真加大。在设计功率放大器匹配电路 时，匹配电路应同时满足匹配、谐波衰减、带宽、小驻波、线性及实 际尺寸等多项要求。当有源器件一旦确定后，可以被选用的匹配电路 是相当多的，企图把可能采用的匹配电路列成完整的设计表格几乎是 不现实的。
ηadd= （射频输出功率-射频输入功率）/ 直流输入功率 ηadd称为功率放大器的功率附加效率，它既反映了直流功率转换成射频功率的 能力，又反映了放大射频功率的能力。很明显，用功率附加效率ηadd衡量功率 放大器的功率效率是比较合理的。
主要性能指标
6. 饱和输出功率 和 1dB压缩点 随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入 功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的 值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率 的1dB压缩点，用P1dB放大器参数表示。典型情况下，当功率超过P1dB时， 增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，其值比P1dB大 3-4dB。
匹配设计
③低损耗。在大功率放大器中，由于输出功率较大，输出电路有一点损耗 就会有较大功率损失，并且，在输出电路板上转成热耗，从而使电路的可 靠性变差。例如，连续波输出功率为200W，输出匹配电路损耗为1dB，则 耗散在输出匹配电路上的功率高达40W以上。输出功率越大，输出匹配电 路上所耗散的功率越大。因此，在设计大功率放大器时，应该尽可能减小 输出匹配电路的损耗。 ④线性。由非线性分析知道，功率放大器的三阶交调系数是与负载有关的， 因此在设计输出匹配电路时，必须考虑线性指标的要求。 ⑤效率。功率放大器的效率除了取决于晶体管的工作状态、电路结构、负 载等因素外，还与输出匹配电路密切相关。要求输出匹配电路保证基波功 率增益最大，谐波功率增益最小，损耗尽可能小和良好的散热装置。
射频功率放大器的工作原理
射频功率放大器的工作原理
功率放大器又称为放大器，是一种电子元件，可将信号的功率放大，一般指交流电的功率放大。
由于其输出功率大，输出功率的大小取决于器件的阻抗和负载。
通过选择合适的参数可在输出端得到较高的输出功率。
射频功率放大器是一种具有多功能的电子设备，其主要作用是放大信号，具有增益高、线性度好、效率高等优点，在现代通信中得到了广泛应用。
在发射机系统中，射频功率放大器是用来提高发射机输出信号的功率和放大所需电压；在接收机系统中，射频功率放大器是用来提高接收机输出信号的功率和放大所需电压。
射频功率放大器一般是由带通滤波器、匹配网络、功放电路、控制器和电源五部分组成。
通常采用全波仿真软件进行仿真分析。
电路中有一个或多个放大器构成。
通常情况下，一个放大器通常由两个晶体管构成，每个晶体管有四个极（四个发射极），一个
与直流偏置电压相连的电源和一个与负载相连的输出级（图1）。
另外两个晶体管则与输入级和输出级相连。
—— 1 —1 —。
第3章---射频功率放大器
图3.17 阻抗匹配网络的连接 图3.18 功率放大器组成框图
对阻抗匹配网络的基本要求是 1)将负载阻抗变换为与功放电路的要求相匹配的负载
阻抗，以保证射频功放电路能输出最大的功率。 2)能滤除不需要的各次谐波分量，以保证负载上能获
得所需频率的射频功率。 3)网络的功率传输效率要尽可能高，即匹配网络的损
可以采用同轴电缆、带状传输线、双绞线或高强度的 漆包线，磁心采用高频铁氧体磁环(MXO)或镍锌(NXO)。 频率较高时，采用镍锌材料。磁环直径小的只有几毫 米，大的有几十毫米，选择的磁环直径与功率大小有 关，一个15W功率放大器需要采用直径为10～20mm 的磁环。传输线变压器的上限频率可高达几千兆赫， 频率覆盖系数可以达到104。 一个1∶1的倒相传输线变压器的结构示意图如图3.23 所示，采用2根导线(1～2为一根导线，3～4为另一根 导线)，内阻为RS的信号源uS连接在1和3始端，负载 RL连接在2和4终端，引脚端2和3接地。
耗要小。 常用的射频功率放大器匹配网络有L形、π形和T形，有
时也采用电感耦合匹配网络。根据匹配网络的性质， 可将功率放大器分为非谐振功率放大器和谐振功率放 大器。非谐振功率放大器匹配网络采用高频变压器、 传输线变压器等非谐振系统，它的负载阻抗呈现纯电 阻性质。而谐振功率放大器的匹配网络是一个谐振系 统，它的负载阻抗呈现电抗性质。
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RS RL RS (Q பைடு நூலகம்) RL
2
RS RS Q RL 2 XL 2 (Q 1) 1 2 Q 1 RS Q 1
注意: 在工作频率较高时，必须将射频功率管的输出电容 Co考虑在匹配网络内。这时XC1内应包含Co的容抗，计算 C1值时也应减去Co值。
阻抗匹配是为了实现从功率源传递给负载提供最大 RF功率。实践中的RF功率管，其输入阻抗和输出阻抗 都比较小，而且功率越大，则阻抗更小。因此，功放的 级与级之间必须进行阻抗变换，实现阻抗匹配，达到最 大功率传输。 阻抗匹配网络通常采用LC电抗元件组成的滤波网 络，因此也能起选频滤波作用。阻抗匹配常为复阻抗匹 配，设计匹配网络比较复杂，尤其是宽带匹配网络的设 计。
Rs X1
2018年12月14日星期 五
4．5．3 匹配网络与网络设计 1、L型匹配网络
变换前后两者的阻抗(导纳)应完全相等:
X2 RL
1 1 1 RL jX 2 R p jX p
图4．5．5 L型匹配电路
R X Rp RL (1 Q 2 ) RL
2 L 2 2
2 2 RL X2 1 Xp X 2 (1 2 ) 2 X2 Q
当RL=Rs、Xs+XL=0时,负载功率PL达最大。因此阻抗匹配条件为
RL=Rs、XL+Xs =0
这表明ZL和Zs应互为共轭复数，即ZL=Zs*。因此，阻抗 匹配实际上是共轭阻抗匹配。
4．5
第4章 射频功率放大器 阻抗匹配网络与网络设计
2018年12月14日星期 五
4．5．3 匹配网络与网络设计
集中参数元件的匹配网络有L型、π型和T型等，这三种网络 也是RFPA设计中常用的匹配网络。
第4章 射频功率放大器
2018年12月14日星期 五
4． 4 4． 5
高效射频功率放大器 阻抗匹配网络与网络设计
第4章 射频功率放大器 4．4 高效射频功率放大器
2018年12月14日星期 五
功率消耗在管子上的原因是集极电流iC流过功率管时，功 率管集射极间电压uCE不为零。 功率管的管耗PT可以用uCE和iC的 乘积在一周期内的积分来表示，即
图4．5．11
π型匹配网络
4．5
第4章 射频功率放大器 阻抗匹配网络与网络设计
2018年12月14日星期 五
4．5．3 匹配网络与网络设计 2、π型匹配网络
对π型匹配网络的设计，可以用L型匹配网络的设计关系导出。 在某给定频率fo，π型匹配网络的设计关系式分别为:
Rs | X c1 | Q
XC2
X2 RL
图4．5．5 L型匹配电路
Rs | X 1 | Q
Rs 1 RL
| X 2 | RLQ
Rs
X1
Xp
Rp
Q
图4．5．7 变换后的等效L型网络
4．5
第4章 射频功率放大器 阻抗匹配网络与网络设计
2018年12月14日星期 五
4．5．3 匹配网络与网络设计 2、π型匹配网络
由三个电抗元件连接成“π”形结构的匹配网络称之π型匹配网络。 其中两个并联支路是同性电抗，另一个串联支路是异性电抗，如图 4．5．11(a)所示。由于匹配网络一般为低通滤波网络，所以串联支 路通常为电感L，即电抗为XL，并联支路为电容C，即电抗Xc1、Xc2。
1 PT 2
u
CE
iC d (t )
要求功率管在导通时，进入饱和而管压降为零；截止时，流 过功率管的电流为零 -- 高效射频功放电路的设计思想 高效射频功放主要特点是功率管处于开关工作状态，称之开 关型功放。A、B、C类功放，功率管是处于放大工作状态的，称之 线性功放。
第4章 射频功率放大器 4．4 高效射频功率放大器
4．5
第4章 射频功率放大器 阻抗匹配网络与网络设计
+
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4．5．2 阻抗匹配原理
Zs=Rs+jXs是信号源阻 抗,ZL=RL+jXL是负载阻抗。负载上得 到的功率为: 2
US
Zs
+
UL
-
ZL
-
1 2 1 1 2 ZL 1 PL U Lm Re ( ) U sm Re ( ) 2 ZL 2 Zs ZL ZL 1 2 RL U sm 2 ( Rs RL )2 ( X s X L )2
4 ．4 ．1 D类RFPA
2018年12月14日星期 五
D类RFPA通常采 用两只功率管组成推 挽工作结构。 图中输入激励信 号经变压器倒换相位 后，使功率管T1、T2 交替导通，并处于开 关工作状态。
图4．4．1 D类功放电路
第4章 射频功率放大器 4．4 高效射频功率放大器
4 ．4 ．1 D类RFPA
X2 RL
(a)
Xp
Rp
X2 Q X p RL
Rp
(b)
图4．5．6 串并联阻抗变换
4．5
第4章 射频功率放大器 阻抗匹配网络与网络设计
Rs X1
2018年12月14日星期 五
4．5．3 匹配网络与网络设计 1、L型匹配网络
变换后的等效L型匹配网络如图 4.5.7所示。在给定频率上,根据匹配 条件：Rp=Rs ,X1+Xp=0,所以可得L型 匹配网络的设计关系式为
X2 RL
图4．5．5 L型匹配电路
X2
考虑功率管的Zo和负载RL后,可画如 图4．5．6所示的匹配电路。图中X2和 RL构成串联阻抗,如图4．5．6(a)。为 分析阻抗匹配,可以将串联阻抗变换成 如图4．5．6(b)所示的并联阻抗。
RL
(a)
Xp
Rp
(b)
图4．5．6 串并联阻抗变换
4．5
第4章 射频功率放大器 阻抗匹配网络与网络设计
X2 X1
(a)L型
X3 X1
(b) π型
X1 X2 X3
(c)T型
X2
图4．5．4 RFPA中常用的匹配网络
4．5
第4章 射频功率放大器 阻抗匹配网络与网络设计
Rs X1
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4．5．3 匹配网络与网络设计 1、L型匹配网络
两个电抗X1、X2构成L形。X1和X2必 须互为异性电抗,通常X2 为电感、X1为电 容。L型匹配网络一般为低通滤波网络。
2018年12月14日星期 五
图 4． 4． 2 D类功放的等效电路的ua波形
第4章 射频功率放大器 4．4 高效射频功率放大器
4 ．4 ．1 D类RFPA
2018年12月14日星期 五
图 4． 4． 2 D类功放的等效电路的ua波形
2018年12月14日星期 第4章 射频功率放大器 五 4．5 阻抗匹配网络与网络设计