基于推挽結(jié)構(gòu)的高功率射頻功放技術(shù)研究

1、編號(hào)：12006510509南陽(yáng)師范學(xué)院2016屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目: 基于推挽結(jié)構(gòu)的高功率射頻功放技術(shù)研究 完 成 人: 韓婷 班 級(jí): 2012-05 學(xué) 制: 4 年 專 業(yè): 通信工程 指導(dǎo)教師: 惠 明 完成日期: 2016.04.25 目錄模塊一 緒論第一節(jié)射頻功放的研究歷程與成果【4】第二節(jié)如何開(kāi)展研究及其要求模塊二 射頻功率放大器的原理第一節(jié)工作原理性質(zhì)以及功能1、 增益2、 效率3、 線性度第二節(jié)如何分類1、 根據(jù)寬帶區(qū)分2、 根據(jù)導(dǎo)通角區(qū)分3、 丁、戊功放的區(qū)別4、 根據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)分第三節(jié)本章小結(jié)模塊三 基于推免結(jié)構(gòu)下的功率放大器第一節(jié)共射及功率放大器第二節(jié)互補(bǔ)推免

2、功率放大器第三節(jié)互補(bǔ)推免功放的應(yīng)用1、 推免功放在音頻領(lǐng)域下的應(yīng)用2、 推免功放在微波及射頻領(lǐng)域下的應(yīng)用第四節(jié)本章小結(jié)第四模塊 總結(jié)與展望 附錄參考文獻(xiàn)模塊一 緒論第一節(jié) 射頻功放的研究歷程與成果 時(shí)至今日，無(wú)論是在日常生活還是部隊(duì)，無(wú)線通信都得到了廣泛的應(yīng)用。如信息、文字、音頻、視頻，都在利用無(wú)線通信進(jìn)行傳播。另外還有蜂窩移動(dòng)跟無(wú)線尋呼，都已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)在我們的視線里，影響著各行各業(yè)的發(fā)展，無(wú)疑提高了人們的生活水平，帶來(lái)了極大的方便，使得聯(lián)系與交流都不再受到原始聯(lián)系方式的束縛。無(wú)限交流不再是夢(mèng)！與此同時(shí)，伴隨這種技術(shù)的成熟，周邊產(chǎn)業(yè)得到了強(qiáng)有力的帶動(dòng)，移動(dòng)手機(jī)已然成為當(dāng)代人們生活必不可少的生活

3、用品。還有我們不太常見(jiàn)的私人數(shù)碼助手Personal Digital Assisant、便攜筆記本Laptop。如我們所見(jiàn)，所有的電子設(shè)備都在想輕便演進(jìn)，滿足人們的需求。在目前電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢(shì)下，為順應(yīng)消費(fèi)者以及其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的需求，無(wú)線技術(shù)的開(kāi)發(fā)必然是當(dāng)下最熱門的研究。從最初的有線傳播，到現(xiàn)在的無(wú)線，無(wú)疑是一項(xiàng)重大突破。不僅高效快捷，且經(jīng)濟(jì)節(jié)約。減少了資源上的投入，同時(shí)也傳播更多的信息，不再拘泥于數(shù)字，在音頻與視頻上也得到了廣泛應(yīng)用。那么接下來(lái)，我們要研究的是，如何實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的傳播。這里我們先簡(jiǎn)單地將其分為兩大模塊，即功率放大與功率發(fā)送。這二者缺一不可，發(fā)射機(jī)在無(wú)線通信中能夠正常發(fā)揮其功能

4、的必要條件就是這兩大模塊的正常運(yùn)作。我們先來(lái)介紹下移動(dòng)終端里的奧秘，在學(xué)術(shù)中我們稱之為蜂窩手機(jī)可同時(shí)收信與發(fā)信的終端設(shè)備。他的工作原理是雙工，通常有ETACS、GSM兩大類。通常情況下，移動(dòng)終端設(shè)備是由五個(gè)工作部分組成，他們分別是：收信設(shè)備、發(fā)信設(shè)備、控制器、操作器、電源。這些都是終端移動(dòng)設(shè)備必不可少的器件。而這其中，發(fā)信設(shè)備又涵蓋了VOC、驅(qū)動(dòng)發(fā)送機(jī)、功放和電源調(diào)制解調(diào)器、功率調(diào)制器及其所組成的邏輯電路。當(dāng)然，必不可少的還有語(yǔ)音、音頻、視頻或圖像的方面的處理器級(jí)電路等。這里，我們?yōu)榇蠹液?jiǎn)單介紹一下GSM移動(dòng)終端設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖，它是由帶發(fā)射上變頻的發(fā)射機(jī)、帶發(fā)射變化的電路的發(fā)射機(jī)及直接變頻發(fā)射機(jī)

5、。其原理圖如下：在移動(dòng)終端設(shè)備上啟用我們上述提到的三種發(fā)射機(jī)都必須要利用功率放大器power amplifier（PA）。同時(shí)它是構(gòu)成發(fā)射機(jī)的最終期間之一。接下來(lái)我們將為您介紹這里所說(shuō)的功率放大器。它最主要的作用就是將信號(hào)放大，在利用足夠大的功率進(jìn)行發(fā)送，射頻的功率放大器有兩種類型，即窄帶與寬帶。其中寬窄射頻是相對(duì)頻帶，不是一般意義上的絕對(duì)頻帶。且是通帶閉上中心頻率的值。射頻功放中的寬帶類由負(fù)載傳輸線組成的功率合成器，且工作頻帶的貸款達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)。而我們通常采用的是諧振網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的優(yōu)點(diǎn)在于工作頻率可以在一個(gè)較大的范圍內(nèi)波動(dòng)卻不會(huì)產(chǎn)生影響。所以，大多移動(dòng)眾多都采用這一技術(shù)。前面我們介紹

6、的PA，率放大器的性能的穩(wěn)定性可影響終端設(shè)備發(fā)送無(wú)線通信訊息的準(zhǔn)確性，決定了其信號(hào)的傳播及接收質(zhì)量。換句話說(shuō)，功率放大器是移動(dòng)通信設(shè)備中能量消耗最大的組成部分，因此它的工作時(shí)間將主導(dǎo)著整個(gè)設(shè)備的工作時(shí)間，當(dāng)然設(shè)備在空閑期與通信期的功率耗費(fèi)度是不同的。功率放大器還可以主導(dǎo)設(shè)備使用時(shí)信號(hào)的強(qiáng)弱，它發(fā)出的信號(hào)覆蓋面積越大就意味著其信號(hào)越強(qiáng)。由此可見(jiàn)，如此重要的結(jié)構(gòu)在移動(dòng)通信設(shè)備中轉(zhuǎn)主導(dǎo)地位，我們必須將其設(shè)計(jì)成為工作效率高且線性度高而發(fā)射出高頻率的功率放大器才可以滿足需求。到目前為止，我們已經(jīng)研制出了第三代移動(dòng)通訊設(shè)備，而PA也在不斷地隨之進(jìn)步，應(yīng)運(yùn)而生。首先是為了能夠滿足更高的信號(hào)強(qiáng)度的要求，更流暢

7、清晰高效。為保證這幾點(diǎn)，我們將PA中的線性度跟效率在進(jìn)一步教工設(shè)計(jì)的更加完美。但研究的道路不總是這么順利，這里發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)問(wèn)題：如果加強(qiáng)現(xiàn)行這一方面，將其工作環(huán)境編制到A這一級(jí)別，則功率就無(wú)法上到我們需要的高度；而當(dāng)將功率的值賦予高一點(diǎn)的級(jí)別，也就是幾個(gè)效率之和，將其工作環(huán)境置于B級(jí)或者C級(jí)，那么線性度有無(wú)法得到保障。在這種情況下，我們首先想到的是選擇一個(gè)最佳位置，使二者得到最高程度上的平衡，可是功率放大器的工作效率達(dá)到一個(gè)較高的穩(wěn)定值。然而這樣的方法事實(shí)證明是不可取的。事情總會(huì)找到解決的方法，但很慚愧這種方法并不是由我們發(fā)明的，我們只是在出現(xiàn)問(wèn)題的情況下去查閱了大量關(guān)于解決此類問(wèn)題的書(shū)籍，終于

8、，一個(gè)奇跡般的字眼出現(xiàn)在我們的視線里推挽！推挽，其英文是PUSH.PULL，譯為推動(dòng)，挽回。顧名思義，不僅可以改善PA工作時(shí)的效率，還可以將線性度穩(wěn)定在一個(gè)可用范圍內(nèi)。這樣一想良好的技術(shù)早已被許多領(lǐng)域加以利用，已達(dá)到了一個(gè)相當(dāng)高的水平?？蛇@種相當(dāng)高的水平也僅限于在聲音信號(hào)的功放上，而我們前面提到的微波技術(shù)上，由于補(bǔ)償異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管也就是npn-pnp這種晶體結(jié)構(gòu)管制作起來(lái)很困難，因此在微波領(lǐng)域跟射頻上，目前只能依賴FET這種技術(shù)得以發(fā)展與運(yùn)用，但FET這種技術(shù)更新的不太快。致使這種情況發(fā)生的最重要的原因是因?yàn)閮烧咴谕环N環(huán)境下工作時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致工作頻率在特定要求下無(wú)法一致，解決這

9、一問(wèn)相當(dāng)困難，某種程度上阻礙了射頻集成功率放大器的發(fā)展。第二節(jié) 如何開(kāi)展研究及其要求前面我們已經(jīng)提出推挽技術(shù)有效解決以上存在的難題，因此我們的研究方向就是要設(shè)計(jì)一款基于推挽結(jié)構(gòu)的寬帶射頻功率放大器。用來(lái)解決在特定的功率下工作時(shí)，提高效率卻得不到穩(wěn)定線性的照片那個(gè)大難題。使其在一個(gè)平衡的狀態(tài)發(fā)揮最大效率進(jìn)行工作。 研究項(xiàng)目有：1、 頻率帶寬：720MHz1220MHz2、 輸出功率：4w3、 額外增加的功率：3W4、 信號(hào)的增益功率：30dB5、 輸入回波損耗S11-10dB，輸出回波S220伏，功率放大器的元件放大輸入的信號(hào)，在共射極放大器倒向的幫助下實(shí)現(xiàn)，輸出的u0在周期的負(fù)半周上。若ui0

10、伏，則倒向可將其引導(dǎo)在周期的正半周上。 二、功率跟效率以下是共射極功率的放大器的效率，其直流電源輸出功率的表達(dá)式 極電極電流 損耗 輸出的負(fù)載功率 電路的效率 電路效率最大 上面的表達(dá)式可以看出推挽結(jié)構(gòu)功率放大器彌補(bǔ)了甲類放大器的不足。 第二節(jié) 互補(bǔ)推挽功率放大器 從圖中我們可以清楚的看出推挽結(jié)構(gòu)的基本原理，他跟共射極放大器的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)中雙功率放大器，且都是在乙類放大器的原理下運(yùn)行。1、工作原理推挽結(jié)構(gòu)：NPN三極管T1加NPN三極管P2兩個(gè)電源予以供電且靜態(tài)工作時(shí)： 波形圖 2、功率跟效率 經(jīng)計(jì)算峰值電壓：峰值電流：負(fù)載輸出功率：最大輸出功率：3、推挽式原理的不足一旦接受到信號(hào)就會(huì)啟動(dòng)不過(guò)

11、，也有失真的情況我們想了一個(gè)辦法來(lái)解決失真的問(wèn)題如圖 方法二 第三節(jié) 互補(bǔ)推挽功放的應(yīng)用一、推挽功放在音頻領(lǐng)域下的應(yīng)用我們之所以能聽(tīng)到美妙的聲音，并且高保真，在樂(lè)器跟柔美的女聲上效果更加明顯，與此同時(shí)，在較為重的音樂(lè)上卻力不從心，這是因?yàn)閺那暗姆糯笃鞫既狈Ψ€(wěn)定性，而推挽結(jié)構(gòu)放大器的出現(xiàn)，使得音樂(lè)基本上得到還原。二、推挽功放在微波及射頻領(lǐng)域下的應(yīng)用 在早期，研究者列出了一份電源供電的推挽結(jié)構(gòu)放大器的表格。其電路圖如下 第四模塊 總結(jié)與展望分立電路中比較成熟的一項(xiàng)電路結(jié)構(gòu)是功率放大器，高線性度和高功率是它擁有的兩個(gè)非常大的優(yōu)點(diǎn)，在音頻的功放領(lǐng)域里有很大的領(lǐng)域。NPN HBTs與PNP HBTs兩個(gè)

12、之間不對(duì)稱所以兩者之間性能相差很多，最后就是NPN-PNP與互補(bǔ)HBTs未在射頻電路集成得到推廣的主要原因。這個(gè)設(shè)計(jì)是運(yùn)用了特別的電路的結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了不一樣的一款NPN-NPN推出去和挽回來(lái)的功率的放大器用在了射頻的領(lǐng)域，并且在電路中的晶體管子控制了甲和乙兩類（AB類）工作的狀態(tài)，還能夠滿足了電路高線性度和高功率兩個(gè)方面上性能上的要求，補(bǔ)齊了NPN-PNP互補(bǔ)的推出和挽回結(jié)構(gòu)上面沒(méi)辦法在射頻的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的尷尬。本章分來(lái)了兩個(gè)小節(jié)展開(kāi)，第一小節(jié)和第二小節(jié)分別總結(jié)了這個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與后面研究上面的不足的地方和能夠彌補(bǔ)的方法。在HBTs制作的領(lǐng)域，功率的放大器一般用于共同發(fā)射結(jié)構(gòu)的電路中是很傳統(tǒng)。最為突

13、出的問(wèn)題是高功率的附加效率、高輸出功率、功率放大器高線性度三個(gè)之間是有矛盾的，通過(guò)對(duì)性能的考察和比較能夠知道，一樣的射極電路的結(jié)構(gòu)不能夠很好的滿足功放的設(shè)的指標(biāo)赫爾設(shè)計(jì)的要求表現(xiàn)在功能的領(lǐng)域。在一方面，因?yàn)槭艿骄w管的性能上面的局限，輸出功率受到的很大的影響，另一個(gè)方面，只有犧牲了一部分的功率附加的功率才能夠保證電路可以擁有比較高的線性度。舉個(gè)例子NPN HBTs的BVceo=7.2V，但是當(dāng)Ic比較大的時(shí)候，Vce不可以高過(guò)2.5V，只有用了高性能的管子，增加了Vce的擺動(dòng)幅度，增加了輸出的功率才可以滿足輸出的設(shè)計(jì)上面的許多要求。比較一下如果采用了結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)的放大器，推處挽回結(jié)構(gòu)的負(fù)載的線，

14、大大的增加了輸出的功率歸功于推出與挽回結(jié)構(gòu)的電壓擺動(dòng)的增加到共同發(fā)射的電路兩倍的輸出的信號(hào)的擺動(dòng)幅度。在另一方面，必須選用通角很小的偏執(zhí)的狀態(tài)（AB類、B類甚至C類狀態(tài)），但減小導(dǎo)通角提高功率的附加效率的同時(shí)，輸出的同時(shí)輸出的線性度一直會(huì)下降導(dǎo)致提高不了附加的效率。這個(gè)理論在第三章節(jié)里詳細(xì)介紹。但對(duì)于挽回和推出不會(huì)存在功放這個(gè)問(wèn)題。由圖可以知道，這兩個(gè)交替工作的在AB類狀態(tài)的NPN HBTs，正負(fù)的兩半周信號(hào)分別負(fù)責(zé)和占滿了放大的輸出信號(hào)。輸出兩個(gè)半周的信號(hào)同時(shí)能擁有AB類的共同發(fā)射放大器的高功率的附加的功率，保證了信號(hào)的完整性和放大器的線性度。參考文獻(xiàn)RF Power Amplifiers

15、for Wireless Communications, Second Edition (Artech House Microwave Library (Hardcover)SC Cripps-RF Power Amplifiers for WirelessCommunications,SecondEdition(ArtechHouseMicrowaveLibrary(Hardcover)2006Complementary HBT push-pull amplifier by selective MBEKW Kobayashi，DK Umemoto，JR Velebir，.-IEEE Microwave & Guided Wave Letters1992A wide-band class AB monolithic power amplifierRG Meyer，WD Mack-IEEE Journal of Soli