《功放基本原理》PPT课件

射频中的常用单位在射频领域里，我们经常会遇到dBm、dB、dBc等与功率有关的单位，许多工程师在对这些单位的理解上存在着混淆和误解，造成计算失误。下面集中辩析这几项单位，供大家参考。 射频中的常用单位dBmdBm用于表达功率的绝对值，计算公式为：10lg(P功率值/lmw)例如果发射功率P为10w，则按dBm单位进行折算后的值应为：10lg(10w/1mw)=10lg(10000)=40dBm 射频中的常用单位dBdB用于表征功率的相对比值，计算甲功率相对乙功率大或小多少dB时，按下面计算公式：10lg(甲功率/乙功率）例若甲功放的增益为20dB,乙功放的增益为14dB,则可以说甲功放的增益比乙功放的增益大6dB。 射频中的常用单位dBcdBc也是一个表征相对功率的单位，其计算方法与dB的计算方法完全一样。一般来说，dBc是相对于载波功率而言的，在许多情况下用来度量与载波功率的相对值，如度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰和带外干扰）、耦合、杂散等相对量值，在采用dBc的地方，原则上可以使用dB替代。 术语射频：广义来说就是适用于无线电传播的无线电频率。其下限约为几十几百KHz，上限约为几千几万MHz。 微波：通常将频率高于300MHz的分米波、厘米波、毫米波波段统称为微波。 射频功放：就是将发射机里的振荡器所产生的射频小功率，经过一系列的放大激励级、中间级、末前级、末级功率放大级，获得足够大的射频功率的装置。射频功放是发送设备的重要组成部分。 射频功放的分类 放大器按照电流通角的不同，可分为A类（甲类）、AB类（甲乙类）、B类（乙类）、C类（丙类）。一般的射频放大器工作在A类、AB类、B类、C类状态；我们公司目前所做的射频放大器基本上都工作在A类、B类、AB类状态。 射频功放的分类射频放大器按照线性改善方法（或按线路组成的方式），可分为功率回退功放、前馈功放、预失真功放。 按放大载波的数量又分为单载波功放与多载波功放。 功放指标在进行射频功放设计时，我们首先要根据给定（或需要）的技术指标和功能指标制定设计方案。制定设计方案的主要依据是指标要求中的额定输出功率、线性度（ACPR/IMD）、载波数、功耗/效率等指标。 功率回退功放 功率回退功放又称为高功放HPA构成HPA放大器一般有两种工作状态：A类及AB类工作状态。A类放大器具有良好的线性放大性能，其三阶交调系数与输出功率的变化关系是：输出信号功率减小3dB（即减小一半功率），则三阶交调抑制改善6dB。一般来讲，A类放大器在1dB压缩点输出时，三阶交调系数约为23.7dB (通常取20dB)。为了达到一定的线性，并考虑到工程问题，A类放大器需回退15dB，此时放大器的三阶交调抑制可以达到4550dBc。 功率回退功放使用A类放大器的最大缺点是效率低及成本较高。这是因为实际应用中A类放大器在它的1dB压缩点输出功率时，其效率只有10。比如，完成一个30W平均输出功率的HPA，就需要至少有300W的耗电，并且工作电流随输出功率变化的值不大。若考虑回退12dB，则需要有480W平均功率输出，需耗电4.8kW。为了达到30W的输出功率需要用较多的功率管。这样就加大了HPA的成本和体积，增大了研制成本和难度。 功率回退功放为了避免这个问题，建议在小功率放大器(平均功率输出1W)设计中使用A类放大器；在中大功率放大器(平均功率输出1W)设计中使用AB类放大器。 功率回退功放AB类 放 大 器 的 特 点 是 效 率 高 、 成 本 低 。 由 于 单管 的 输 出 功 率 高 ， 仅 需 少 量 的 功 率 管 即 可 做 到较 高 的 输 出 功 率 ， 所 以 成 本 较 低 ， 且 散 热 和 结构 设 计 可 以 简 单 化 。 目 前 用 在 AB类 的 管 子 主 要选 LDMOS管 ， AB类 放 大 器 用 最 大 包 络 功 率 PEP来描 述 其 功 率 容 量 ， 类 似 A类 的 1dB压 缩 点 。 偏 置在 AB类 的 LDMOS放 大 器 ， 在 PEP处 的 互 调 抑 制 为28dBc， 回 退 3dB时 互 调 抑 制 接 近 40dBc， 继 续回 退 ， 改 善 不 大 。 回 退 10dB时 效 率 约 为 15%。总 之 功 率 回 退 法 的 优 点 是 简 单 、 易 实 现 ， 缺 点是 受 功 率 管 P1dB限 制 。 功率回退功放 A类放大器的三阶交调系数IMD3、三阶交截点IP3及输出功率Pout的关系见下式 )()(32)(3 dBmPoutdBmIPdBcIMD 功率回退功放1dB压缩点P1dB定义：当输入功率较低时，输出功率与输入功率成比例关系。当输入功率超过一定的量值之后，晶体管的增益开始下降，最终结果是输出功率达到饱和。当放大器的增益偏离常数或比其小信号(或此前)增益降低1dB时，此点就被称为1dB压缩点。1dB压缩点用来衡量放大器的功率容量。 功率回退功放A类放大器的1dB压缩点P1dB曲线 功率回退功放三阶交调系数IMD3定义： 如下图所示，输入信号Pin(f1)和Pin(f2)通过放大器除了产生输出信号Pout(f1)和Pout(f2)之外，还产生了新的频率Pout(2f1-f2)和Pout(2f2-f1)，输出端口有用功率和无用功率之差被定义为交调失真。 )(122( )(2()(3 dBmffPout dBmfPoutdBcIMD 功率回退功放 放大器交调失真频谱示意图 功率回退功放三阶交截点IP3定义：在线性放大区，输出功率P01随着输入功率按比例增加，而3阶产物P03却与输入功率的幂次成正比。延伸P01和P03的线性区可得一个交叉点，该点我们就称谓三阶交截点。三阶交截点是量化放大管交调失真特性的唯一参数。 A类放大器的1dB压缩点P1dB与其三阶交截点IP3的关系曲线 功率回退功放AB类放大器不适用于上述两个曲线，具体可参考所选定的功率管厂家给出的IMD或ACPR曲线。 前馈功放前馈技术是采用两个信号抵消环路，提取并反相抵消消除功率放大器输出信号中的非线性产物，实现功率放大器线性化改善目标的一种信号处理方案。前馈放大器原理框图如下。 前馈功放 前馈功放由耦合器C1、C2、C3、移相电路D2及主放大器组成主环，其作用是为了消除放大器的载频信号功率，提取误差信号；由耦合器C2、C3、C4，移相电路D1及误差放大器组成的误差环是为了消除主放大器非线性产生的交调分量，改善功放的线性度。 前馈功放在主环中，系统输入射频信号RFin由功分器一分为二，一路信号经过移相器、衰减器、功率放大后，由主功放输出耦合器取样送到载波抵消耦合器参加载波抵消；另一路输入分路信号经过小信号延时线进行延时匹配后，也进入载波抵消耦合器，抵消消除主功放输出取样信号中的载波信号，获得代表主功放非线性失真产物的误差信号，输出给误差放大通道。 前馈功放主环的自适应控制是这样实现的：主环输出的误差信号经过取样、检测后送给MCU，MCU根据载波抵消结果闭环控制主信号放大通道中的移相器和衰减器，稳定保持载波抵消良好的效果。 前馈功放在误差环中，主功放输出信号由耦合器一分为二，耦合输出信号参加载波抵消获得误差信号后，经过移相器、衰减器、功率放大，再由互调注入耦合器送回主功放输出通道中，参加互调抵消；主功放输出的直通信号通过延时滤波器延时后，也进入互调注入耦合器，由误差功放输出信号抵消掉其中的非线性失真产物，实现系统的线性改善目标。 前馈功放误差环的自适应控制实现方法为：MCU根据载波信号频道占用情况，计算设置互调检测接收机的本振频率，使中频滤波窗口对准主功放输出信号中的3阶或5阶（多载波频率间隔1.25MHz时对准3阶，否则对准5阶）互调频率，由接收机输出的功率检测电路监测系统输出信号中抵消剩余的互调失真信号功率值，并反馈给MCU，MCU闭环调整误差放大通道中的移相器和衰减器，使系统输出信号中的互调功率最小，稳定保持系统线性改善的最佳效果。 前馈功放前馈技术交调改善公式： 式中： =交调改善值，单位为dB =抵消输入幅度误差，单位为dB =相位误差，单位为度当 0.25dB、 2时，改善效果理论上可以达到30dB。 cos102101log10 2010 GGIM IMG G 前馈功放另外前馈方案对每对对消通道在工作频带内的增益平坦度和相位平坦度的要求是比较严的，而增益和相位容易受到温度、电压、功率等因素的影响，实际的改善效果与理论值会有一定的差距。 预失真功放 预失真技术是依靠在功率放大器输入通道中插入预失真部件，造成输入信号的预先歧变失真，由于预失真器的失真特性与功率放大器的非线性失真特性正交相反，从而消除功率放大器输出信号中的非线性失真产物，实现功率放大器线性化改善目标的信号处理方案，其框图如下图所示。 预失真功放 预失真技术原理框图 预失真功放 预失真技术原理示意图 预失真功放预失真技术根据预失真器的实现方法可以分为模拟预失真和数字预失真，利用模拟器件的非线性行为直接实现功率放大器输入信号预失真的方法称为模拟预失真，通过数字算法对基带信号进行处理实现预失真的方法称为数字预失真。 预失真功放模拟预失真技术在功放中采用较多；数字预失真是近几年迅速发展起来的一项射频功率放大器线性化技术，目前研究的版本很多，总的思路是利用特定的预失真算法，通过数字信号处理，对输入的信号实现包络调制，而这种包络调制的特性是与功率放大器的非线性特性相反的，所以可以有效抑制功率放大器的非线性特性，从而达到改善功放线性指标的目的，但大都没有商用化。 功放的控制电路 射频功放中的控制电路一般有两种类型：一种是常用的保护功能的控制电路；一种是消除非线性指标的控制电路。 保护功能的控制电路 功放中功率管的价钱都是很贵的，为了在异常情况下功放不被损坏，我们要采取以下措施对功放进行保护：1) 功率告警保护2) 过温告警保护3) 驻波告警保护4) 器件失效告警保护5) 过激励保护6) 过流保护 保护功能的控制电路该部分电路只需要用单片机和运放器将功放的输入取样、前向取样、反向取样、输出采样、温度取样、电流取样等各种采样信号进行A/D、D/A转换，并将采样信号放大，进而用来控制功放的工作状态，以达到保护功放的目的。 消除非线性指标的控制电路 在前馈功放和自适应预失真功放的设计中，为消除由于功率放大器的增益、相移以及非线性失真特性随环境温度、工作频率、输出功率和器件老化变化造成前馈或预失真线性化改善不能稳定保持的缺点，通过闭环监测功率放大器线性化改善效果，自动调整前馈信号抵消环路的增益和相移、预失真器的失真特性，实现线性功率放大器在工作频带内、全动态范围、工作环境条件下满足系统线性指标要求的长期、稳定、可靠运行的技术。