S波段F類功率放大器的寬頻帶研究

1、本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 題目： S 波段 F 類功率放大器的寬頻帶研究學(xué) 院 電子信息工程學(xué)院 學(xué)科門類 工 學(xué) 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 號 1108421019 姓 名 徐國亮 指導(dǎo)教師 倪 春/胡 斌 2015 年 05 月 28 日合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）摘摘 要要功率放大器是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)收發(fā)端的核心模塊，設(shè)計射頻放大器與設(shè)計常規(guī)低頻放大器的方法是完全不一樣的，很多重要因素是需要考慮和克服的。比如電壓駐波比系數(shù)的降低問題，他就需要有良好的匹配網(wǎng)絡(luò)與入射電壓波和入射電流波相匹配。本文設(shè)計了工作頻 2.4GHz 的 F 類功率放大器，F(xiàn) 類功率放大器采用開關(guān)放大模

2、式，即晶體管工作在“導(dǎo)通”和“截止”兩種不連續(xù)的狀態(tài)，理論上，其理想效率為 100%，被稱為新一代功率放大器。F 類功率放大器可用于雷達、通信和電子對抗等領(lǐng)域，是實現(xiàn)現(xiàn)代電子設(shè)備高效率、高功率和小型化的重要途徑。本文在傳統(tǒng)的 F 類功率放大器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入研究 F 類功放的寬頻帶技術(shù)，設(shè)計一款 S 波段的寬頻帶 F 類功率放大器。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：F 類；功率放大器；高效率；寬頻帶合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）IAbstractPower amplifier is the core module and reception of modern wireless communi

3、cation system, Method of RF power amplifier design and design of conventional low frequency amplifier is completely different, Many important factors need to be considered and overcome.For example, the voltage standing Bobbi coefficient reducing problems,he just needs to have good matching network a

4、nd the incident voltagewave and the incident wave current matching.This paper designs the working frequency of F class 2.4GHz power amplifier, class F power amplifier using switch amplifier mode, namely thetransistor operating in the on and off of two kinds of discontinuous state, in theory, the ide

5、al efficiency of 100%, is called a new generation of power amplifier. Class F power amplifier can be used in radar,communication and electronic warfare and other fields, is an important way to high power and small size, to realize the high efficiency of modern electronic equipment. Based on the clas

6、s F power amplifier structure on the traditional broadband, in-depth study of class F power amplifier with broadband technology, design of a S band with class F power amplifier.Keywords: Class-F; power amplifier; high efficiency; broadband合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）II目目 錄錄摘摘 要要.IA Abstractbstract.II1.1.

7、 引言引言.11.1 研究背景及意義 .11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .11.3 本文主要內(nèi)容安排 .12.2. 基本理論基本理論.22.1 射頻放大器的分類 .22.2 功率放大器的技術(shù)指標 .22.3 幾類常見功率放大器 .52.4 F 類功率放大器.73.3. 功率放大器的寬頻帶研究功率放大器的寬頻帶研究.83.1 寬帶功率放大器 .83.2 拓寬頻帶方法 .84.4. F F 類功率放大器的設(shè)計與仿真類功率放大器的設(shè)計與仿真.114.1 設(shè)計指標 .114.2 電路的仿真與優(yōu)化 .114.3 測試結(jié)果 .145.5. 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.14參考文獻參考文獻.15致致 謝謝.16合肥師范

8、學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）01.1. 引言引言1.11.1 研究背景及意義研究背景及意義隨著信息時代的步伐不斷的前進，信息交流傳輸顯得越發(fā)重要和重視，因此，自上世紀80年代以來，通信技術(shù)是發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一。通訊系統(tǒng)在人們的生活中也是隨處可見，無線通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊的急速發(fā)展，也讓人們對信息的傳輸質(zhì)量有著更高的期待，特別是對傳輸效率的要求。于是，對通信系統(tǒng)的功率損耗和附加效率的研究變得火熱起來1-2。無線通訊的日標就是在最低功率損耗下實現(xiàn)對信號的及時有效的傳輸，因而，對系統(tǒng)的效率研究和設(shè)計成為了研究的重點。而射頻功率放大器正是通訊系統(tǒng)中重要的前端收發(fā)的有源電路模塊，且功率損耗最大，

9、影響信息的傳輸能力。高效的功率放大器對通信系統(tǒng)質(zhì)量的提高有著非常大的作用。所以，研制高效的功放是一直是人們多年來研究和探索的熱點話題。1.21.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀作為射頻傳輸系統(tǒng)重要部分的射頻功率放大器，經(jīng)過了幾十年的研究與革新，有了很大的進步和發(fā)展，但是如何使功率放大器有著高效的工作效率一直是研究人員的一個重點內(nèi)容。無論是國內(nèi)國外研究人員，都進行過研究和設(shè)計。其中，F(xiàn)類功率放大器成為了重點。Tyler在1958年提出了F類放大器的概念，應(yīng)用于低頻信號傳輸，并提出理想四分之一波長傳輸線控制所有諧波的方法。另外他察覺出集總參數(shù)諧振器在甚高頻的多種問題。1967年，Snider實現(xiàn)了

10、諧波信號功率到基波信號功率的轉(zhuǎn)化，讓開關(guān)模式的F類功率在超高頻得到了廣泛應(yīng)用。日本NTT無線通訊系統(tǒng)實驗室研究人員在1988年用處理二次諧波的辦法研制出在高頻段工作的高效功放。美國一些研究人員則在2001年從理論上推導(dǎo)了F類功放不同諧波阻抗下的最大工作效率和功率，并設(shè)計出了一款工作在X波段效率為55%的功放。2010年，德國學(xué)者更是設(shè)計出了能自適應(yīng)匹配網(wǎng)絡(luò)1GHz最大功率82%的附加效率的F類功放3。1.31.3 本文主要內(nèi)容安排本文主要內(nèi)容安排本論文共分為五章，具體研究內(nèi)容安排如下：第一章簡介研究背景、意義及國類外現(xiàn)狀；第二章基本理論知識的分析介紹；第三章是對寬頻帶功率放大器的簡單介紹合肥師

11、范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）1及其一般實現(xiàn)方法；第四章是設(shè)計了一種S波段F類的功率放大器，簡要的設(shè)計過程與仿真結(jié)果；最后，第五章是對本文的總結(jié)和展望。2.2. 基本理論基本理論在講敘F類功放的基本理論前，應(yīng)當對射頻放大器及其組成器件的基本理論有一個簡單的說明介紹。因為F類功率放大器是射頻放大器的一種，只有對功率放大器的基礎(chǔ)知識的掌握，我們才能更加深入的去了解F類功率放大器，下面我介紹幾種不同種類的功放。2.12.1 射頻放大器的分類射頻放大器的分類射頻放大器從AS分成了很多類，都用字母代表了每個不同種類，這些字母有的是人名縮寫，有的則是由其他類變化而名。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，功放

12、的不斷深入研究，有時在通用設(shè)計中，人們對這些簡單的分類不能清楚的辨別。另外，功放技術(shù)的前進，有了新的擴展種類。可是在某些技術(shù)層面上，不同研究人員對于他們的理解卻也不相同。由于實物電壓電流的測試的原因，新分類帶有個人的特別理解與定義。隨后， “開關(guān)類”功放出現(xiàn)在了功放的進程中，這是現(xiàn)代技術(shù)向數(shù)字化前進而開發(fā)另一種功放。有需要就有發(fā)展，有源器件的制作越來越好，帶來功放的適用頻段不斷變寬，從“高頻”發(fā)展至“甚高頻”和“微波段”的領(lǐng)域。但有一個空白未定義的區(qū)域，即在非平滑開關(guān)類或是模擬功放中加入諧波分量，分別被稱為S，E和J類4-5。對功率放大器的研究，效率一直是主要研究內(nèi)容。A類功放有很多優(yōu)點，它仿

13、真和實踐都的實現(xiàn)非常容易，理論分析也很簡單，線性良好等。可因A類功放的效率不高，所以有了AB類工作模式的設(shè)計。但AB類功放是截斷了一部分信號來提升效率，使原有的良好線性不復(fù)存在。C類功放不適應(yīng)所有幅度調(diào)制，也就是說線性不理想，所以不能被廣泛的使用。隨后，數(shù)字通信時代到來，線性的要求越來越不能被設(shè)計者們忽視，需要放大器能適應(yīng)全調(diào)制功放的模式。我們常說的F類功放?？醋鍪茿B類功放的衍生。在定義上，音頻和射頻功放的分類也有很大的區(qū)別。比如最為突出的音頻D類功放在射頻中歸類于“S類” ，值得一提的是，音頻中的G類和H類在射頻中也沒被廣泛使用，而射頻中對這類技術(shù)的應(yīng)用卻極為常見，并命名為“包絡(luò)跟蹤” 。

14、2.22.2 功率放大器的技術(shù)指標功率放大器的技術(shù)指標射頻功放的主要技術(shù)指標有很多，像工作頻帶、增益和輸出輸入駐波比等等，可合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）2最為重要的是輸出功率、效率、失真度的指標要求。在選功放管的時候，若僅有小信號模型，則仿真時對電路只有參考作用，此時若是大信號模型，仿真的結(jié)果會更加可信。當加載大信號時，功放就會出現(xiàn)非線性特性，隨著輸入功率的不斷增大，這種非線性的特性會表現(xiàn)的更為突出。此時若繼續(xù)增大輸入功率，只會使輸出功率受到限制，增益被壓縮，且多種失真會在這個區(qū)域中出現(xiàn)。但是我們要考慮到功放的電流的大小，因為這影響著功放的效率和散熱問題。因此我們在實際功放設(shè)

15、計中要根據(jù)具體技術(shù)指標的要求來設(shè)計，突出重要的技術(shù)指標后，再對其它技術(shù)指標進行優(yōu)化。功率放大器的工作頻段，通俗的說，對信道而言，頻帶就是允許傳送的信號的最高頻率與允許傳送的信號的最低頻率這之間的頻率范圍(當然要考慮衰減必須在一定范圍內(nèi))。若兩者差別很大，可以認為頻帶就等于允許傳送的信號的最高頻率；對信號而言，頻帶就是信號包含的最高頻率與最低頻率這之間的頻率范圍(當然頻率分量必須大于一定的值)。若兩者差別很大，可以粗略地認為頻帶就等于信號的最高頻率。功放管芯片的選擇要考慮到頻帶的中心頻率與帶寬。通信上輸出功率的單位為一般用dBm表示，通常情況下功放的輸出功率為1dB功率壓縮點的功率值。若輸入到功

16、放的輸入功率非常低，功率增益為常數(shù)，這時的功放的工作區(qū)域為線性區(qū)。當輸入功率不斷增大時，功放會受到非線性特性的影響，它的增益效果會被不斷被壓縮，最大功率的輸出被限制。多種失真現(xiàn)象會在此時出現(xiàn)，如非線性失真、諧波失真等等。當功放的工作狀態(tài)進入到飽和區(qū)，此時若是繼續(xù)增大輸入信號的功率，功放的輸出功率會保持不變，其輸入功率與輸出功率的關(guān)系如圖2-1所示6-7。輸出功率（dBm）輸入功率（dBm）線性區(qū)1dBP1dBPin1dB理想輸出功率合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）3圖 2-1 功率放大器輸入輸出功率關(guān)系一般情況下，我們將線性增益比輸出增益大1dB的位置稱為功率放大器的工作范圍上限

17、，也叫1dB輸出功率壓縮點，即如圖中P1dB，對應(yīng)功率值為：()()()( )11dBinPdBmPdBmG outdB-=-功率增益是功放的重要指標，也是十分重要的指標。下圖為單級射頻功放的一般電路圖，有輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，有信號源，還有負載和雙端口的晶體管。信號源輸入匹配電路晶體管輸出匹配電路負載圖2-2 一般單級功率放大器電路圖我們定義功率放大器的輸入功率為，也就是器件輸入端接受的功率，定義inP為功放功率，信號源功率，負載消耗功率，那么我們有了幾種不同的功率增outPSPLP益的表達式8：（1）功率增益: PGLPinPGP=（2）負載端口匹配下功率增益：AGoutASPGP=(3)功率

18、轉(zhuǎn)換增益：TGLTSPGP=射頻功放性能的重要指標之一就是效率，若定義為輸出功率，直流電路消耗的outP功率定義為，則效率的表達式：dcPhoutdcPPh=因為效率表達式忽略了輸入信號的變化，不能非常準確的反映出功率放大器的性能，因此通常設(shè)計時，考慮更多的是功放功率的附加附加效率PRE,表達式如下：outindcPPPREP-=PRE反映的是功放直流部分的功率利用率和在直流功耗下功放輸出射頻功率的增加情況。同時，功率放大器的增益變化也在PRE上有了一定的體現(xiàn)。功率放大器工作時，直流部分功率不變，PRE值的變化就是值得變化，而增益G的值隨之變化。dcPoutinPP-（2-2）（2-3）(2-

19、4)(2-5)(2-6)（2-1）合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）4穩(wěn)定是功率放大器的良好工作的前提，在射頻功放的設(shè)計與研究時，功放的穩(wěn)定性是不得不考慮的。對功放穩(wěn)定性的分析，一般采用S參數(shù)分析。功放的穩(wěn)定有兩種類型，一種是無條件穩(wěn)定稱為絕對穩(wěn)定，另一種是有條件穩(wěn)定9-10。絕對穩(wěn)定即功放在所有工作情況下都處于穩(wěn)定狀態(tài)，S參數(shù)分析表達式如下： 0Im0ininwWwWwWwWRSSe或 0wWwWILLm上式中的和分別代表源和負載導(dǎo)抗，與分別代表網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出SWLWinWoutW導(dǎo)抗。分析結(jié)果與上式相反時，那么就可以認為有潛在的不穩(wěn)定。將器件的穩(wěn)定性因子k引入進行歸一化處理，

20、以描述功放的穩(wěn)定性性能，表達式如下：()1122122112212ReReReWWW WkW W-=若是轉(zhuǎn)換為S參數(shù)的形式，如下：1112222221121SSSSk上式中，通過k的值判斷功放的穩(wěn)定類別。當時為無條件穩(wěn)21122211SSSS1k定；當k1時則有潛在不穩(wěn)定。2.32.3 幾類常見功率放大器幾類常見功率放大器本節(jié)主要介紹四類簡單常見的功率放大器，首先，介紹一下導(dǎo)通角的定義：一個周期內(nèi)，晶體管器件導(dǎo)通的角度。圖1中圖a,b,c,d分別為四類功放一個周期內(nèi)的電流波形。圖2中的圖a,b,c,d分別為四類功放的靜態(tài)工作點示意圖。我們觀察圖2-3和圖2-4的圖a，很清楚的就能看出A類功放的

21、線性特性是最好的，在整個周期中都在線性區(qū)域內(nèi)工作，且不會有失真的情況。想使得輸出功率最大，則偏置電流的大小為。此時由波形可以計算實施工作效率為50%。雖然A類功放有2/maxI很好的線性特性，可惜效率不高這一最大短板注定它不能所有設(shè)計中通用。A類功放的功率偏置增益常常高于AB類偏置好幾個dB，而其簡單的設(shè)計原理和不用顧慮諧波匹配的問題使得A類功放在射頻寬帶設(shè)計時十分適用。圖2-3、2-4中圖b所示AB類功放的導(dǎo)通角處于A類與B類之間，它不同于A類功放的是它被截斷了部分的輸入信號，它的工作效率也處于幾類功放之間。（2-7）（2-8）（2-9）（2-10）合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)

22、計）5i id d（m mA A）I ID DC C0 02t tI Im ma ax xi id d（m mA A）I ID DC C0 02t tI Im ma ax xi id d（m mA A）I Im ma ax xI ID DC C0 02t ti id d（m mA A）I Im ma ax x0 02t t 圖 2-3 四類基本功放電流波形圖id(mA)Imax截止區(qū)VthVq飽和區(qū)線性區(qū)靜態(tài)工作點QVg（V）id(mA)Imax截止區(qū)VthVq飽和區(qū)線性區(qū)靜態(tài)工作點QVg（V）id(mA)Imax截止區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)靜態(tài)工作點Qid(mA)Imax截止區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)靜態(tài)工作點Q

23、VthVthVg（V）Vg（V）圖2-4 四類基本功放靜態(tài)工作點示意圖(c) B 類功放電流波形(a) A 類功放電流波形(b) AB 類功放電流波形(d) C 類功放電流波形(a) A 類功放靜態(tài)工作點(b) AB 類功放靜態(tài)工作點(d) C 類功放靜態(tài)工作點(c) B 類功放靜態(tài)工作點合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）6如下所示公式（2-11）和（2-12）為由傅里葉分解導(dǎo)通角后的直流分量和諧波分量幅度表達式。dII2coscos2cos12122maxdc dnIIncos2coscos2cos1122max上式中的和分別表示直流電流幅度和n次諧波分量的電流幅度。通過傅里葉d

24、cInI分解，我們能會發(fā)現(xiàn)奇次諧波分量在三次以上就會消失，由此，我們在進行諧波匹配時可以很好的利用來完成更好的設(shè)計。說到C類功放，第一個要說的就是它的功率能夠得到很好的提高。觀察圖2-3、2-4的b圖波形，我們能看到放大器的工作周期小于半個周期，波形與脈沖波形很是相似。傅里葉分解分析會發(fā)現(xiàn)，直流分量減小時，它的效率還在增高?？墒窃趯嶋H設(shè)計中，C類功放有著諸多問題。半導(dǎo)體器件的實際性能極大限制了它的輸出功率。另外，C類功放的驅(qū)動信號必須很大，這就需要電壓達到同時，器件的工作電流也達到。但maxVmaxI是C類功放的這一要求就可能會讓正弦信號的負峰值達到擊穿效應(yīng)的大小，而這很顯然不實際。本節(jié)介紹了

25、四類基本功放，都不考慮諧波的影響。雖然這四類是很基本的功放，非常簡單常見，但其它高效的功放大都是從此四類功放中拓展延伸而來，我們可以說這四類功放是其它功放得以設(shè)計和實現(xiàn)的基石。2.2.4 4 F F 類功率放大器類功率放大器F類功率放大器是研究人員現(xiàn)在研究設(shè)計的一個重點內(nèi)容。從理論上來說，F(xiàn)類功率放大器高于B類或者是深度AB類功率放大器的效率值10%以上。這主要是因為三次諧波分量的應(yīng)用，使得電壓的輸出波形接近于方波。反相位的三次諧波分量簡單的就減少了峰峰值，于是波行和峰值都比原來的大了，這樣通過傅里葉變換的基本分量也變的大了。簡而言之就是，提供良好的三次諧波分量可以得到增大了的基波分量。由于直

26、流分量屬于B類，因此可以得到最優(yōu)F類的工作效率為，計算324 出的結(jié)果是90.7%。非常顯然的是，在這種情況下三次諧波分量比平坦效應(yīng)的高。實際設(shè)計操作時，拐點效應(yīng)時常會降低效率值，可是最佳狀態(tài)的F類功放的電壓遠高于拐點區(qū)的電壓。有以上分析可見，F(xiàn)類功放在設(shè)計中可以避免正弦電壓所引發(fā)的拐點效應(yīng)，且不影響工作效率的提升11。F類功放的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用的是諧波振蕩電路，讓漏極負載發(fā)生對偶次諧波短路，（2-11）（2-12）合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）7對奇次諧波開路，實現(xiàn)效率和輸出功率同步提升。漏極電壓是由奇次諧波構(gòu)成的，與方形波形相似。漏極的電流包含有基波和偶次諧波，與一個半正弦

27、波十分相近。由于在漏極電壓和漏極電流之間并沒有交疊，所以理想效率能夠達到100%。達到100%理想漏極效率的漏極的阻抗條件是：，n為偶數(shù)；0nZ =，n為奇數(shù)；nZ要實現(xiàn)F類功放的工作電壓和工作電流波形信號，可以使用奇次諧波來近似方波電壓波形，偶次諧波用來近似半正弦電流波形，其表達式如下： nVVvnndsinsin.7, 5 , 3 nIIInncossini.6, 4, 210其中，表示的是基波頻率。達到最大值和最小值的電壓波t0002 f0f形中間點的位置分別在和。2233 3. . 功率放大器的寬頻帶研究功率放大器的寬頻帶研究3.13.1 寬帶功率放大器寬帶功率放大器寬頻帶功放在設(shè)計應(yīng)

28、用中十分廣泛，其信號模式可以是模擬信號或是數(shù)字信號。寬帶功放要求從極低頻率（零頻或接近）開始的較寬頻帶中實現(xiàn)均勻的信號放大。設(shè)計一個滿足需要的特性功放，應(yīng)該將具有高頻特性的有源器件與無源元件綜合考慮，實現(xiàn)需要的設(shè)計目標。最常見的寬頻帶功放是在實現(xiàn)阻抗匹配的同時，輸入、輸出使用寬頻帶變壓器或級間藕合電路。有兩種形式的寬領(lǐng)帶變壓器，一種使用就是普通的變壓器原理，在擴展頻帶時使用了高額磁芯，可以在短波波段工作。另一種寬頻帶變壓器則是傳輸線原理結(jié)合變壓器原理設(shè)計的傳輸線變壓器，它的頻帶可以做的很寬。3.23.2 拓寬拓寬頻帶方法頻帶方法第一種設(shè)計方法的思路是頻率補償匹配網(wǎng)絡(luò)法12，頻率補償匹配網(wǎng)絡(luò)是引

29、入一定的失配在器件的輸入或是輸出的端口，以此來補償由于頻率變化對S參數(shù)所產(chǎn)生的影響。但是這種匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計十分困難，要有豐富的設(shè)計經(jīng)驗和很強的理論知識，并不是用來優(yōu)化和完善工程設(shè)計的方法。這種設(shè)計方法需要我們根據(jù)具體的設(shè)計情況選擇性使用。（2-13）（2-14）（2-15）（2-16）合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）8第二種設(shè)計方法就是負反饋電路的利用了，頻率補償網(wǎng)絡(luò)的另外一種設(shè)計方法就是負反饋電路的利用，這種方法可以使得增益響應(yīng)變得平坦，在有效的寬頻帶內(nèi)可以減小輸入和輸出電壓駐波比系數(shù)。另外，負反饋電路還有一個非常大的優(yōu)點就是可以減小放大器特性受到晶體管參數(shù)離散性的影響，但是晶

30、體管的最大功率增益受到了限制，且噪聲系數(shù)也會變大。負反饋電路中晶體管中的部分輸出信號會被反饋耦合到輸入端口，與輸入信號進行反相的疊加，抵消一部分的輸入信號，減小輸入信號。若是反饋的信號與輸入信號進行同相疊加，那么輸入信號就會得到增強，這時反饋電路為正反饋。常見用于晶體管的電阻反饋電路如圖 3-1 所示，其中為并聯(lián)反饋，電阻為串聯(lián)反饋。1R2RR2R1(a)雙極晶體管反饋(b)場效應(yīng)晶體管反饋R2R1圖 3-1 電阻性負反饋電路在低頻下，圖3-1中的兩電路圖可用圖3-2所示的形等效模型分析，其中相對場p效應(yīng)管而言為無窮大。rp+v-rR2gmvgmvR1+-vR1R2圖 3-2 負反饋電路的低頻

31、模型合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）9就雙極晶體管分析，假設(shè)，則圖3-2中的可以用開路的情形所替11rRgmr代，于是其h參量的矩陣表達式為： 22111111RggRgRgRhmmmm利用矩陣變換公式對上式進行變換，得到了對應(yīng)的S參量參數(shù)表達式： 01021012022112 111mmmmmmg ZRZg RSg Rg ZRg RZg R上（3-2）式中2001g1g2RZZRmm如果理想的匹配條件能夠成立，也就是輸入和輸出電壓駐波系數(shù)為11220SS=1，這樣可以得到串并聯(lián)反饋電阻、的關(guān)系，即：1R2R20211mZRRg=-式中是傳輸線特性阻抗，式中式晶體管的跨導(dǎo)。0Zm

32、g將式（3-4）代入式（3-3）和（3-2） ，則 01001010ZRZRZS通過式（3-2）和式（3-5）的觀察，要實現(xiàn)很好的匹配，可以用選擇合適的反饋電阻來實現(xiàn)。其中的唯一限制條件為式（3-4）中的為非負值，即必然有最小值2Rmg，且的值域為：mingmg01101minm1gZSZRg任何晶體管，只要滿足式（3-6）的取值范圍，就能運用于圖3-2所示的負反饋mg電路當中。由于未考慮電抗效應(yīng)，上述對負反饋電路的分析只是在低頻段的理想器件中適合應(yīng)用。在設(shè)計中，晶體管的寄生電阻是必須考慮的，那么需要修改反饋電阻值。另外，在射頻和微波頻帶設(shè)計中，不僅是不能忽略晶體管的寄生電容、電感效應(yīng)，還必須

33、考慮到由于反饋電路的設(shè)計而增加的電抗性元件。一般是給反饋電阻串聯(lián)一個電感，1R其作用是在高頻段時減小反饋環(huán)的反饋量，對進行補償，防止在高頻段時逐漸21S21S（3-1）（3-2）（3-4）（3-3）（3-6）（3-5）合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）10下降。4.4. F F 類功率放大器的設(shè)計與仿真類功率放大器的設(shè)計與仿真4.14.1 設(shè)計指標設(shè)計指標本課題的設(shè)計要求為學(xué)習利用ADS軟件，設(shè)計一種中心頻率為2.4GHz，工作頻率為2.32.5GHz，且功率附加效率要大于65%的F類功率放大器。4.24.2 電路的仿真與優(yōu)化電路的仿真與優(yōu)化基于ADS軟件的設(shè)計，先要選擇合適的靜態(tài)

34、工作點，應(yīng)用負載牽引法，獲得晶體管CGH40010F的阻抗特性，設(shè)計優(yōu)化，以得到最佳的匹配網(wǎng)絡(luò)。我們常常對輸入匹配電路使用的是T型級聯(lián)電路，實現(xiàn)傳輸線的阻抗轉(zhuǎn)換和端口的匹配，本此設(shè)計采用的是變頻傳輸線原理，利用階梯阻抗的辦法實現(xiàn)匹配電路的設(shè)計，電路如下圖所示：圖 4-1 輸入匹配電路將Port1端口的值設(shè)置為固定值50歐姆，而將Port2端口的值設(shè)為設(shè)置為Port1端口的共軛值，這樣就能實現(xiàn)兩端口的共軛匹配，也是輸入級匹配的完成。與輸入線路一樣，輸出匹配電路也是使用T型級聯(lián)電路來實現(xiàn)匹配。圖4-2既是輸出匹配電路：與輸入匹配基本相同，將Port2的端口設(shè)置為固定值50歐姆，而Port1的值設(shè)置

35、為合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）11Port的共軛值，實現(xiàn)端口的匹配。圖 4-2 輸出匹配電路將ADS中的模塊化設(shè)計整合到一起，形成本設(shè)計要求的S波段F類功率放大器的整體電路。整合后的整體電路如下所示：圖 4-3 整體電路原理圖到目前為止，對F類功率放大器的設(shè)計基本完成了，但對于設(shè)計是否滿足設(shè)計要求指標還需要對設(shè)計電路的仿真測試結(jié)果進行比對。我們設(shè)計中得到很多由阻抗變換與開路的短截線構(gòu)成的微帶線諧振網(wǎng)絡(luò)，但是不需要過多的開路短截線，因為我們實際電路的效率會受到受很多因素的影響，如溫度等。而我們只需對2、3次諧波處理就能夠達到預(yù)期的目標，以避免因DC的功率過大造成的太多功率耗散。

36、下圖為整體電路的合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）12仿真結(jié)果圖。我們觀察圖4-4的仿真結(jié)果，可以非常清楚的看出本次設(shè)計的功率放大器的功率附加效率是遠遠大于65%的設(shè)計要求，符合我們的設(shè)計需要，所以，功率附加效率的設(shè)計目標，我們能夠?qū)崿F(xiàn)。圖 4-4 仿真功放的功率附加效率圖 4-5 仿真功放的輸出功率圖 4-5 中顯示了本次設(shè)計功放的輸出功率的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果很直觀的就體現(xiàn)出了設(shè)計的輸出功率約為 12W，輸入功率不變時，有比較大的輸出功率，能更好的體現(xiàn)功放的性能。合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）13 圖 4-6 功放的電流仿真波形 圖 4-7 功放的電壓仿真波形圖

37、4-6、4-7 分別為本次設(shè)計的電流、電壓的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，當電流很大時，電壓很小；當電流很小時，電壓很大。這就非常明顯的體現(xiàn)了 F 類功放的特性，是典型的 F 類功放的工作特征。4.34.3 測試結(jié)果測試結(jié)果通過仿真結(jié)果觀察與分析，我們可以看出次設(shè)計符合設(shè)計要求，接下來，我們進行實物測試。通過對實物的測試，對測試結(jié)果的記錄與分析，設(shè)計作品完全符合設(shè)計要求。所以，對中心頻率約為2.37GHz，附加功率效率大于65%，且工作頻率為2.32.5GHz的F類功率放大器的設(shè)計是可行成功的。5 5. . 總結(jié)與展望總結(jié)與展望對于學(xué)電子信息工程的學(xué)生來說，放大器是十分常見熟悉的，很多專業(yè)課都會有

38、所涉及。此次畢業(yè)設(shè)計選擇本課題，既是對本專業(yè)的專業(yè)知識的復(fù)習與鞏固，也是對專業(yè)課里未介紹的相關(guān)專業(yè)知識的了解和學(xué)習。在設(shè)計功放前，老師給了很多的指導(dǎo)，多是設(shè)計功放的步驟，讓毫無頭緒的我，有出下手。查閱資料，結(jié)合老師所說，按步設(shè)計。先是完成整個框架的搭建，然后分別對輸入、輸出匹配進行設(shè)計，分析優(yōu)化。對整個電路仿真符合設(shè)計目標后，提取電路。通過本次論文的寫作和對功放的設(shè)計，我感覺到自己在很多方面都有不足，需要學(xué)習補強。同時科學(xué)的魅力再一次深深的觸動了我，各種形式的功放，各種不同的特性，小小的一個放大器，但它的功能卻是不可或缺。在任何電路中，任何一個器件的功能、作用都舉足輕重。合肥師范學(xué)院 2015

39、 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）14參考文獻參考文獻1童詩白模擬電路技術(shù)基礎(chǔ)M北京：高等教育出版社，2006 年2陽昌漢高頻電子線路M北京：高等教育出版社，2006 年3吳恩平射頻功率放大器的設(shè)計與研究D武漢：華中科技大學(xué) 2006 屆碩士研究生畢業(yè)學(xué)位論文，2006 年4Les Besser,Rowan Gilmore. Practical Rf Circuits design For Modern Wireless Systems Vol1 passiveM北京：電子工業(yè)出版社，2006 年.5F.Raab et al., Power Aplifiers and Transmitters for RF an