射頻功率放大器

1、實(shí)驗(yàn)四：射頻功率放大器【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹客ㄟ^(guò)功率放大器實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解功率放大器的基本結(jié)構(gòu)，工作原理及其設(shè)計(jì)步驟，掌握功率放大器增益、輸出功率、頻率范圍、線性度、效率和輸入/輸出端口駐波比等主要性能指標(biāo)的測(cè)試方法，以此加深對(duì)以上各項(xiàng)性能指標(biāo)的理解?！緦?shí)驗(yàn)環(huán)境】1實(shí)驗(yàn)分組：每組24人2實(shí)驗(yàn)設(shè)備：直流電源一臺(tái)，頻譜儀一臺(tái)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一臺(tái)，功率計(jì)一只，10dB衰減器一個(gè)，萬(wàn)用表一只，功率放大器實(shí)驗(yàn)電路板一套【實(shí)驗(yàn)原理】一、功率放大器簡(jiǎn)介功率放大器總體可分成A、B、C、D、E、F六類。而這六個(gè)小類又可以歸入不同的大類，這種大類的分類原則，大致有兩種：一種是按照晶體管的導(dǎo)通情況分，另一種按晶體管的等效電路

2、分。按照信號(hào)一周期內(nèi)晶體管的導(dǎo)通情況，即按導(dǎo)通角大小，功率放大器可分A、B、C三類。在信號(hào)的一周期內(nèi)管子均導(dǎo)通，導(dǎo)通角9=180。（在信號(hào)周期一周內(nèi)，導(dǎo)通角度的一半定義為導(dǎo)通角9），稱為A類。一周期內(nèi)只有一半導(dǎo)通的成為B類，即9二90。導(dǎo)通時(shí)間小于一半周期的稱為C類，此時(shí)9=30等駐波比VSWR=20增益平坦度/dB1晶體管的選擇本實(shí)驗(yàn)所選用的晶體管為安捷倫公司的ATF54143_PHEMT,這種晶體管適合用來(lái)設(shè)計(jì)功率放大器。單管在處能達(dá)到的最大資用增益大于18dB,而1dB壓縮點(diǎn)高于21dB。LNA電路方案的確定為滿足設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，PA的電路方案采用兩級(jí)放大，前后兩級(jí)偏置電路使用對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

3、確定功率放大器工作點(diǎn)負(fù)載線的中點(diǎn)，使它工作在A類，具有很好的線性度。第一級(jí)采用最大增益匹配，第二級(jí)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用功率匹配，級(jí)間共軛匹配。直流（電壓/電流）偏置電路設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)所用功率放大器采用基極分壓射極偏置電路，但將它的射頻扼流圈換為一端開(kāi)路的四分之一波長(zhǎng)傳輸線。這樣就綜合了基極分壓射極偏置電路和傳輸線偏置法的優(yōu)點(diǎn)，既能使放大器的工作點(diǎn)穩(wěn)定又能抑制偶次諧波，還能改善放大器的穩(wěn)定性。圖1偏置電路上圖中，R1與R2起構(gòu)成分壓回路，R3為限流電阻，旁路電容C2、C3與四分之一波長(zhǎng)傳輸線L1、L2起阻止基波流向直流源并抑制偶次諧波的作用。電容C4、C5起隔直通交作用，而旁路電容C1負(fù)責(zé)濾除直流源的雜

4、散信號(hào)。5阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)取決與放大器要求的增益、輸出功率、效率、線性度和交調(diào)失真比等指標(biāo)。PA阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)基本步驟：1）確定最大功率傳輸負(fù)載阻抗2）將最大功率傳輸負(fù)載阻抗匹配到實(shí)際的負(fù)載阻抗3）確定放大器輸入阻抗4）匹配放大器輸入阻抗到信號(hào)源阻抗功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)均采用單節(jié)短截線匹配法。匹配順序?yàn)閺暮蠹?jí)往前級(jí)匹配。第二級(jí)的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用功率匹配，即確定晶體管的最大功率傳輸負(fù)載阻抗，將所得到的最大功率傳輸負(fù)載阻抗匹配到實(shí)際負(fù)載阻抗，輸出端匹配好以后，測(cè)出此時(shí)晶體管的輸入阻抗。第一級(jí)采用最大增益匹配，將其要求的輸出阻抗共軛匹配到第二級(jí)的輸入阻抗，再將其輸

5、出阻抗匹配到實(shí)際的負(fù)載阻抗。這樣就完成了整個(gè)放大器的匹配電路設(shè)計(jì)。偏置電路和匹配電路設(shè)計(jì)好以后，整個(gè)功率放大器本身的設(shè)計(jì)已完成為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，還需設(shè)計(jì)一個(gè)直流保護(hù)電路，以保證當(dāng)輸入的直流電壓和電流過(guò)大時(shí)，功率放大器電路不會(huì)受到損壞。六、實(shí)驗(yàn)使用的PA電路圖3V120mARF間L,rPA+LCLaPA_M吐GAGA-MESTC圖3PA版圖圖4PA實(shí)驗(yàn)電路平臺(tái)【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1參考實(shí)驗(yàn)原理圖，理解功率放大器設(shè)計(jì)的基本方法。在功率放大器實(shí)驗(yàn)電路板上測(cè)量PA的主要技術(shù)指標(biāo):功率增益(Gain)頻率范圍(FrequencyRange)回波損耗(ReturnLoss)駐波比(StandWaveRatio)壓縮點(diǎn)

6、(1dBPower)f.三階交調(diào)點(diǎn)(OIPandIIP33實(shí)驗(yàn)步驟】在做實(shí)驗(yàn)之前，觀察實(shí)驗(yàn)板的電路結(jié)構(gòu)，認(rèn)清各部分電路元件的作用，體會(huì)PA的工作原理。準(zhǔn)備工作1）調(diào)整直流源，輸出端口選擇為端口1,將輸出電壓設(shè)定為3V,電流限定在125mA。2）校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，校準(zhǔn)的頻率范圍：，矢網(wǎng)輸出功率為-20dBm,保存校準(zhǔn)文件。3）校準(zhǔn)功率計(jì)，使信號(hào)發(fā)生器的真實(shí)輸出與功率計(jì)上所顯示的功率值一致。測(cè)試1）直流工作點(diǎn)的測(cè)試將功率放大器的直流輸入端連接到直流源的端口1，按下直流源的輸出鍵，觀測(cè)此時(shí)直流源的電壓輸出值Vcc和電流輸出值Icc并做記錄使用萬(wàn)用表，分別測(cè)前后兩級(jí)EPHEMT的V和V，并做相應(yīng)記錄

7、，gsds以此可以確定兩級(jí)EPHEMT的直流工作點(diǎn)Q1和Q2。2）PA的主要性能指標(biāo)測(cè)試將PA的射頻輸入端連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1,射頻輸出端接到矢網(wǎng)的端口2。按下矢網(wǎng)的PowerON鍵，采用頻率掃描，測(cè)量并保存PA的S參數(shù)，用Marker鍵找出增益即S21的最大值，其對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)為中心頻率，并找出增益下降1dB的頻率范圍（1dB帶寬）。利用測(cè)得的S和S，可以分別得出LNA的射頻輸入和輸出端口的1122回波損耗，通過(guò)計(jì)算公式SWR=可得出PA的射頻輸入和輸出端口的駐波比SWR，由此可以看出PA的輸入和輸出的匹配好壞。采用功率掃描，掃描范圍：-20dBm-5dBm，中心頻率為上面得出的中心頻率

8、點(diǎn)，用Marker找出增益下降1dB時(shí)的輸入功率的大概位置,這樣可以粗略確定P1dB的大小。將PA的射頻輸入端接到信號(hào)發(fā)生器的輸出端，射頻輸出端接到功率計(jì)的探頭，打開(kāi)射頻源，輸入功率從-25dBm到-5dBm進(jìn)行掃描，記下相應(yīng)的輸出功率值。設(shè)置信號(hào)源，使其輸出雙音頻信號(hào)，中心頻率為，頻率間隔為2MHz。將PA的射頻輸入端連接到信號(hào)源的輸出端，射頻輸出端接頻譜儀的輸入端。開(kāi)啟信號(hào)源，輸出功率從-20dBm到-5dBm依次掃描，記下PA相應(yīng)的輸出功率。實(shí)驗(yàn)記錄與分析】實(shí)驗(yàn)小組成員及實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)時(shí)間實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)及溫度小組名稱成員（班級(jí)學(xué)號(hào)）實(shí)驗(yàn)設(shè)備名稱直流電源信號(hào)源頻譜儀功率計(jì)型號(hào)SML03FSV7E4

9、418B實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析1）直流工作點(diǎn)直流源的輸電壓Vcc和電流Icc記錄：Vcc=3V,lcc=122mA前后兩級(jí)EPHEMT的V、V和I，以此計(jì)算分析得出兩級(jí)PHEMTGSDSDS的直流工作點(diǎn)Q1和Q2Q1:VGSVDSUs3V58mAQ2:VGSVDSIDS3V61mA2)PA的主要性能指標(biāo)：保存放大器的S參數(shù)，不同射頻輸入功率點(diǎn)的輸出功率、三階交調(diào)功率列表，并記下當(dāng)前的測(cè)試環(huán)境。PA的S參數(shù)：測(cè)試條件:設(shè)備為N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，射頻輸入功率為-20dBm,測(cè)試的頻率范圍：。mlfreq=1.950GHzdB(S(2,1)=31.m2freq=2.090GHzdB(S(2,1)

10、=30.643m3freq=2.210GHzdB(S(2,1)=29.666)1,1(S(B)2,1(S(B)2,2(S(B)1,2(S(B不同射頻輸入功率點(diǎn)的輸出功率、三階交調(diào)功率列表：測(cè)試條件：設(shè)備為E4418B功率計(jì)和FSP40頻譜儀，射頻輸入信號(hào)頻率為，掃描的功率范圍：-22dBm-7dBmP(dBm)in-22-21-20-19-18-17-16-15P(dBm)outIM(dBm)3-45-42-39-36-33-30-27-24P(dBm)in-14-13-12-11-10-9-8-7P(dBm)out19IM(dBm)3-21-18-15-123）分析中心頻率f二2.09GHz0頻率范圍1dB帶寬BW二2.21-1.95二0.16GHz1dB增益隨頻率的變化表格和曲線射頻輸入端的回波損耗iffx.71.81.92.02.12.22.32.42.5freq,GHz-050-112-ni_ssoL_nruteRtuo_ssoL_nrute射頻輸入輸出端的駐波比由駐波比可看出PA的輸入匹配均比較好。根據(jù)輸出功率隨輸入功率的變化表格及曲線，找出1dB壓縮點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論】從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析可以看出，本實(shí)驗(yàn)所使用的功率放大器的增益、頻率范圍、線性度、回波損耗和輸入輸出端的駐波比等特性基本達(dá)到了預(yù)