射頻及微波固態(tài)功率放大器張玉PPT課件

1、內(nèi)容內(nèi)容射頻及微波功率放大器發(fā)展動(dòng)態(tài)射頻及微波功率放大器發(fā)展動(dòng)態(tài)1射頻及微波功率放大器設(shè)計(jì)射頻及微波功率放大器設(shè)計(jì)2功率放大器的線性化技術(shù)功率放大器的線性化技術(shù)3射頻及微波固態(tài)功率放大器中的新穎技術(shù)射頻及微波固態(tài)功率放大器中的新穎技術(shù)4第1頁(yè)/共117頁(yè)緒論射頻及微波固態(tài)功率放大器發(fā)展動(dòng)態(tài)第2頁(yè)/共117頁(yè)第3頁(yè)/共117頁(yè)第4頁(yè)/共117頁(yè)用于移動(dòng)通信的功率放大器 第5頁(yè)/共117頁(yè)第6頁(yè)/共117頁(yè)高功放的發(fā)展現(xiàn)狀高功放的發(fā)展現(xiàn)狀v 功率回退：傳統(tǒng)的功率放大器一般采用回退技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功放要求，是目前主要采用的技術(shù)。第7頁(yè)/共117頁(yè)v 負(fù)反饋法 第8頁(yè)/共117頁(yè)v 前饋技術(shù)： 采用前饋

2、技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是能大大改善功放的線性度，缺點(diǎn)是成本較高、難度大、功放的效率會(huì)比較低，這種技術(shù)近幾年在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。第9頁(yè)/共117頁(yè)v 預(yù)失真技術(shù)預(yù)失真又分這模擬預(yù)失真（APD）和數(shù)字預(yù)失真（DPD）1、模擬預(yù)失真是指在功放輸入前加入一個(gè)預(yù)失真器，這種預(yù)失真器產(chǎn)生的非線性與功放產(chǎn)生的非線性相們相反，從而可以實(shí)驗(yàn)非線性的矯正，模擬預(yù)失真又分為射頻預(yù)失真和中頻預(yù)失真。這種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、技術(shù)難度小、成本低；缺點(diǎn)是線性度改善不高。第10頁(yè)/共117頁(yè)2、基帶數(shù)字預(yù)失真技術(shù)基帶數(shù)字預(yù)失真技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型技術(shù)，是線性功放發(fā)展的主流。這項(xiàng)技術(shù)目前還不是很成熟、是未來(lái)線性功放發(fā)展的

3、方向。其優(yōu)點(diǎn)是線性度高、效率高；缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度較大。原理是將功放輸入的信號(hào)取樣，下變頻到中頻、經(jīng)數(shù)字中頻處理后、提取基帶數(shù)字信號(hào)的輻度和相位信息，再將輸出的非線性的信號(hào)同樣變頻到基帶，并提取相應(yīng)的信息，兩者相比較，再通過(guò)相位和輻度調(diào)整電路將輸入信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)地矯正。第11頁(yè)/共117頁(yè)基帶數(shù)字預(yù)失真的硬件原理第12頁(yè)/共117頁(yè)v 極性環(huán) 第13頁(yè)/共117頁(yè)v 笛卡兒環(huán)第14頁(yè)/共117頁(yè)技術(shù)技術(shù)類型類型技術(shù)成技術(shù)成熟度熟度技術(shù)技術(shù)難度難度功放功放效率效率是否獲得是否獲得商用商用生產(chǎn)生產(chǎn)難度難度體積體積可靠可靠性性成本成本基于基于前饋前饋技術(shù)技術(shù)的功的功放放成熟成熟中中低于低于101

4、0是是難難大大低低高高基于基于DPDDPD技技術(shù)的術(shù)的功放功放步入成步入成熟熟難難高，高，典型典型值值1919是是易易小小高高低低基于基于DPDDPD加加DoherDohertyty技技術(shù)的術(shù)的功放功放試驗(yàn)階試驗(yàn)階段段難難高，高，典型典型值值2727否否易易小小高高低低新一代基站功放和傳統(tǒng)功放的技術(shù)比較新一代基站功放和傳統(tǒng)功放的技術(shù)比較 第15頁(yè)/共117頁(yè)第二章第二章 射頻及微波功率放大器設(shè)計(jì)射頻及微波功率放大器設(shè)計(jì)二端口網(wǎng)絡(luò)及二端口網(wǎng)絡(luò)及S S參數(shù)參數(shù)1 1準(zhǔn)線性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)準(zhǔn)線性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)2 2負(fù)載牽引法負(fù)載牽引法3 3第16頁(yè)/共117頁(yè)2.1 二端口網(wǎng)絡(luò)理論及二端口網(wǎng)絡(luò)理論及S參數(shù)參數(shù)傳統(tǒng)

5、的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)1散射參數(shù)2二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)間轉(zhuǎn)換3傳輸線4第17頁(yè)/共117頁(yè)2.1.1 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)第18頁(yè)/共117頁(yè)阻抗參數(shù)阻抗參數(shù)111 1122221 1222VZ IZ IVZ IZ I111121221222VZZIVZZI211110IVZI122220IVZI111220IVZI222120IVZI第19頁(yè)/共117頁(yè)導(dǎo)納參數(shù)導(dǎo)納參數(shù)111121221222IYYVIYYV211110VIYV122220VIYV111220VIYV2212120VIYV第20頁(yè)/共117頁(yè)混合參數(shù)混合參數(shù)111 1122221 1222Vh Ih VIh Ih V111121221

6、222VhhIIhhV211110VVhI122220IIHV111220IVhV222120VIhI第21頁(yè)/共117頁(yè)傳輸參數(shù)傳輸參數(shù)122122VAVBIICVDI1212VVABIICD2120IVAV2120IICV2120VVBI2120VIDI第22頁(yè)/共117頁(yè)第23頁(yè)/共117頁(yè)2.1.2散射參數(shù)散射參數(shù)入射波入射波ai，入射波bi111 1122221 1222bS aS abS aS a111121221222bSSabSSa bSa第24頁(yè)/共117頁(yè)端口端口2 2處接有匹配負(fù)載時(shí)，在端口處接有匹配負(fù)載時(shí)，在端口1 1處的反射處的反射系數(shù)系數(shù)211110abSa1222

7、20abSa111220abSa222110abSa第25頁(yè)/共117頁(yè)2.1.3二端口參數(shù)的相互轉(zhuǎn)換二端口參數(shù)的相互轉(zhuǎn)換第26頁(yè)/共117頁(yè)2.1.4 2.1.4 傳輸線(Transmission Lines) 分布(distributed) 參數(shù)系統(tǒng)與集總(lumped) 參數(shù)系統(tǒng) 任何電路、元器件、連接線本質(zhì)上都是分布系統(tǒng)，在某些條件下它們的分布特性可以被忽略，正如在某些條件下微積分可以簡(jiǎn)化為四則運(yùn)算。 對(duì)于一條長(zhǎng)度為l 的低損耗連接線和波長(zhǎng)為的信號(hào)， 當(dāng)l 0.1，我們認(rèn)為它是一個(gè)分布系統(tǒng)傳輸線。 分布 vs. 寄生(parasitic) 準(zhǔn)靜態(tài)(Quasi-Static) 與非準(zhǔn)靜態(tài)

8、(NQS) QS：電路理論適用， NQS：電磁場(chǎng)理論適用第27頁(yè)/共117頁(yè)IC Design 需要傳輸線知識(shí)嗎 空氣中1GHz信號(hào)的波長(zhǎng)為30cm，芯片的尺寸以mm計(jì)，因此在這個(gè)頻段附近(lower GHz) 的RFIC 內(nèi)部通常還不需要考慮傳輸線效應(yīng) 當(dāng)頻率高到一定程度，電路中存在較長(zhǎng)的連線，或者需要精確分析電路的工作情況，即使是IC 設(shè)計(jì)也不得不使用傳輸線理論 IC與外界連接時(shí)( 不論是測(cè)試還是實(shí)際應(yīng)用) 都將用到傳輸線 傳輸線現(xiàn)象是典型的高頻現(xiàn)象，傳輸線理論是理解高頻電路、信號(hào)和系統(tǒng)的基礎(chǔ)和重點(diǎn) 抽象的傳輸線 一根信號(hào)線和地( 線或面) 就組成了傳輸線 電磁波將沿信號(hào)線傳輸并被限制在信

9、號(hào)線和地之間第28頁(yè)/共117頁(yè)第29頁(yè)/共117頁(yè)第30頁(yè)/共117頁(yè)第31頁(yè)/共117頁(yè)第32頁(yè)/共117頁(yè)第33頁(yè)/共117頁(yè)第34頁(yè)/共117頁(yè)第35頁(yè)/共117頁(yè)第36頁(yè)/共117頁(yè)第37頁(yè)/共117頁(yè)傳輸線阻抗變換第38頁(yè)/共117頁(yè)第39頁(yè)/共117頁(yè)2.2 準(zhǔn)線性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法準(zhǔn)線性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法第40頁(yè)/共117頁(yè)2.3負(fù)載牽引法負(fù)載牽引法第41頁(yè)/共117頁(yè)第第3章章 功率放大器的線性化技術(shù)功率放大器的線性化技術(shù)非線性電路基本概念與定義非線性電路基本概念與定義1 1放大器中的非線性現(xiàn)象放大器中的非線性現(xiàn)象2 2功率放大器的線性化技術(shù)功率放大器的線性化技術(shù)3 3第42頁(yè)/共117

10、頁(yè)3.1非線性電路基本概念與定義第43頁(yè)/共117頁(yè)第44頁(yè)/共117頁(yè)f21第45頁(yè)/共117頁(yè)地線上電位差引起的寄生反饋 第46頁(yè)/共117頁(yè)屏蔽盒及接地 第47頁(yè)/共117頁(yè)RF電路中電源的去耦合 第48頁(yè)/共117頁(yè)iRC1011iRFCRL)105( LRC10111SRC1011221211)105(CCCCLRFC第49頁(yè)/共117頁(yè)六、無(wú)源元件(Passive Components) 非線性電路大量使用無(wú)源元件，它們用于： 阻抗匹配或轉(zhuǎn)換 抵消寄生元件的影響( 擴(kuò)展帶寬) 提高選擇性( 調(diào)諧、濾波、諧振) 移相網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載等等第50頁(yè)/共117頁(yè)電阻的等效電路描述 電阻R的絕對(duì)值

11、阻抗隨頻率的變化 第51頁(yè)/共117頁(yè)高頻電感線圈的等效電路 空心線圈的頻率響應(yīng) lNrL202022/SrNaCl N2wireSculRa 第52頁(yè)/共117頁(yè)高頻電容電等效電路 引線電容的頻率響應(yīng) 第53頁(yè)/共117頁(yè)LC諧振回路的電路結(jié)構(gòu) 第54頁(yè)/共117頁(yè)(1)rj01Rj21r021Rarctanarctan0LRCr12LC12LC第55頁(yè)/共117頁(yè)001LrCr0000001LRRCrCrLLCLC0ff0ff0ff0/fQ0/fQ02fQf第56頁(yè)/共117頁(yè)品質(zhì)因數(shù)的物理意義品質(zhì)因數(shù)的物理意義 品質(zhì)因數(shù)實(shí)際上描繪的是系統(tǒng)儲(chǔ)能與耗能之間的關(guān)系。 2Q回路儲(chǔ)能每周耗能第57

12、頁(yè)/共117頁(yè)七、Smith Chart 反射系數(shù)平面上的阻抗和導(dǎo)納反射系數(shù)平面( 平面)反射系數(shù) 可以用一個(gè)平面直角坐標(biāo)中的點(diǎn)(X, Y) 來(lái)表示， X和Y 分別是它的實(shí)部和虛部，即G = X + jY， 這是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 還和阻抗存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系因此阻抗也和平面上的點(diǎn)存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系 將反射系數(shù)表達(dá)式中的阻抗對(duì)傳輸線的特征阻抗Z0 進(jìn)行歸一化： z = Z/Z0 = r + jx，進(jìn)一步得到00LZZZZ 11Z第58頁(yè)/共117頁(yè)第59頁(yè)/共117頁(yè)第60頁(yè)/共117頁(yè)第61頁(yè)/共117頁(yè)第62頁(yè)/共117頁(yè)第63頁(yè)/共117頁(yè)第64頁(yè)/共117頁(yè) Smith Chart 的應(yīng)用

13、 讀取阻抗、導(dǎo)納、反射系數(shù)、駐波比等 LC和傳輸線匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 微波、射頻放大器設(shè)計(jì) 噪聲系數(shù) 增益 穩(wěn)定系數(shù) 微波、射頻振蕩器設(shè)計(jì) 小結(jié) 史密斯圓圖是反射系數(shù)平面上的阻抗和導(dǎo)納坐標(biāo)系 平面直角坐標(biāo)( 反射系數(shù)) 和圓坐標(biāo)( 阻抗和導(dǎo)納) 的結(jié)合使LC和傳輸線電路的計(jì)算變得非常直觀，在高頻放大器設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用第65頁(yè)/共117頁(yè)八、阻抗變換及匹配：概述八、阻抗變換及匹配：概述 為什么要匹配 在傳輸中獲得最大的功率或效率 保證系統(tǒng)具有正確傳輸特性( 例如LC濾波器需要匹配負(fù)載) 提高信噪比( 降低噪聲系數(shù)) 減少由于反射引起的信號(hào)失真 確保電路穩(wěn)定 為各模塊之間提供方便、可靠的連接 為什么低

14、頻信號(hào)不需要匹配( 想想彈簧的情況) 從波長(zhǎng)與器件/ 傳輸線尺寸的關(guān)系看，信號(hào)在傳輸過(guò)程中的相位與幅度近似不變 從周期與傳輸時(shí)間上看，雖然反射仍然存在，但是在信號(hào)的有效周期內(nèi)將會(huì)衰減到可以忽略( 極限情況：DC)第66頁(yè)/共117頁(yè) 為什么邏輯電路通常不需要匹配 這是一個(gè)能量( 或功率、信噪比) 與狀態(tài)的區(qū)分問(wèn)題，與高頻模擬電路不同，邏輯電路中所傳遞的是電平的高低狀態(tài) 兩種不同的匹配概念 對(duì)傳輸線阻抗的匹配：ZL = Z0 對(duì)信號(hào)源阻抗的匹配：ZL = Zs* 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一些考慮 工作頻率 帶寬或Q值 實(shí)現(xiàn)方式和結(jié)構(gòu) 阻抗匹配/ 變換網(wǎng)絡(luò)的基本形式 LC阻抗變換技術(shù) 傳輸線匹配技術(shù) 變壓器

15、第67頁(yè)/共117頁(yè)uLC 阻抗變換網(wǎng)絡(luò)第68頁(yè)/共117頁(yè)第69頁(yè)/共117頁(yè)第70頁(yè)/共117頁(yè)第71頁(yè)/共117頁(yè)第72頁(yè)/共117頁(yè)第73頁(yè)/共117頁(yè)u傳輸線阻抗變換第74頁(yè)/共117頁(yè)第75頁(yè)/共117頁(yè)3.2 放大器中的非線性現(xiàn)象放大器中的非線性現(xiàn)象第76頁(yè)/共117頁(yè)第77頁(yè)/共117頁(yè)第78頁(yè)/共117頁(yè)Intermodulation and Harmonics第79頁(yè)/共117頁(yè)第80頁(yè)/共117頁(yè)第81頁(yè)/共117頁(yè)第82頁(yè)/共117頁(yè)AM/AM- and AM/PM-Conversion第83頁(yè)/共117頁(yè)AM/AM- and AM/PM-Conversion第84頁(yè)/

16、共117頁(yè)3.3功率放大器中的線性化技術(shù)功率放大器中的線性化技術(shù)負(fù)反饋線性化技術(shù)負(fù)反饋線性化技術(shù)預(yù)失真技術(shù)預(yù)失真技術(shù)前饋技術(shù)前饋技術(shù)第85頁(yè)/共117頁(yè)第86頁(yè)/共117頁(yè)第87頁(yè)/共117頁(yè)單級(jí)1W功率放大器相頻特性 第88頁(yè)/共117頁(yè)第89頁(yè)/共117頁(yè)第90頁(yè)/共117頁(yè)第91頁(yè)/共117頁(yè)模擬預(yù)失真模擬預(yù)失真（Analog Predistortion）第92頁(yè)/共117頁(yè)第93頁(yè)/共117頁(yè)前饋技術(shù)前饋技術(shù)（Feedforward）第94頁(yè)/共117頁(yè)第第4章章射頻及微波固態(tài)功率放大器中的新穎技射頻及微波固態(tài)功率放大器中的新穎技術(shù)術(shù)雙途徑功率放大器雙途徑功率放大器開(kāi)關(guān)模式功率放大器開(kāi)

17、關(guān)模式功率放大器KahnKahn包絡(luò)分離與恢復(fù)技術(shù)包絡(luò)分離與恢復(fù)技術(shù)異相功率放大器異相功率放大器DohertyDoherty技術(shù)技術(shù)第95頁(yè)/共117頁(yè)4.1 Doherty技術(shù)DohertyDoherty原理框圖 第96頁(yè)/共117頁(yè)三種工作狀態(tài)分析 第97頁(yè)/共117頁(yè)理想DohertyDoherty放大器和B B類放大器效率對(duì)比第98頁(yè)/共117頁(yè)多級(jí)DohertyDoherty功率放大器結(jié)構(gòu)框圖 第99頁(yè)/共117頁(yè)不同DohertyDoherty功放結(jié)構(gòu)的效率 第100頁(yè)/共117頁(yè)4.2異相功率放大器異相功率放大器的簡(jiǎn)化框圖 第101頁(yè)/共117頁(yè)4.3 Kahn包絡(luò)分離與恢復(fù)技術(shù)傳統(tǒng)KahnKahn模擬包絡(luò)分離和恢復(fù)方案 第102頁(yè)/共117頁(yè)采用DSPDSP技術(shù)的直接變換方案 第103頁(yè)/共117頁(yè)EER (Envelope Elimination and Restoration) Separating phase and magnitude information Elimination of AM/AM-distortion Application of high-efficient amplifiers(independent of amplitude distortion) Stability guaranteed第104頁(yè)/共117頁(yè)第105頁(yè)/共11