射频放大器的分类、电路组成及主要性能指标解析

RF射频PA(radio frequency power amplifier)是各种无线发射机的重要组成部分。在发送机的前级电路中，调制振荡电路产生的射频信号的功率非常小，需要经过一系列放大一缓冲级、中间放大级、最终级的功率放大级，得到足够的射频功率后，提供给天线进行辐射。为了得到足够大的射频输出功率，射频功率放大器常常扮演着不可或缺的作用，其性能直接影响通信系统的传输距离、信号质量和功耗。

中等功率放大器，2~18GHz，增益30dB，P1dB 1W，IP3 37dBm

一、射频放大器的分类

1.按照输出端的耦合方式（与负载的连接方式）不同，可以将功放分为直接耦合、变压器耦合和电容耦合。

2.按功放管类型分类，分为电子管功放、晶体管功放、场效应管功放和集成功放。

3.按电路形式分类，可以将功放分为单管功放、推挽式功放、桥式功放。

4.根据工作状态的不同，功率放大器分类如下：

传统线性功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。

射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态：甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大；乙类放大器电流的导通角等于180°；丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。开关型功率放大器（Switching Mode PA,SMPA)，使电子器件工作于开关状态，常见的有丁（D）类放大器和戊（E）类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。SMPA将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流功耗为零，理想的效率能达到100%。

传统线性功率放大器具有较高的增益和线性度但效率低，而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率，但线性度差。具体见下表：

二、射频放大器的电路组成

射频放大器的电路由几个部分组成：晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。

射频放大器的电路组成

射频放大器结构

1.晶体管

晶体管有很多种，包括当前还有多种结构的晶体管被发明出来。本质上，晶体管的工作都是表现为一个受控的电流源或电压源，其工作机制是将不含内容的直流的能量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界获得，晶体管加以消耗，并转化成有用的成分。不同的晶体管不同的“能力”，比如其承受功率的能力有区别，这也是因为其能获取的直流能量的能力不同所致；比如其反应速度不同，这决定它能工作在多宽多高的频带上；比如其面向输入、输出端的阻抗不同及对外的反应能力不同，这决定了给它匹配的难易程度。

2.偏置电路及稳定电路

偏置和稳定电路是两种不同的电路，但因为他们往往很难区分，且设计目标趋同，所以可以放在一起讨论。晶体管的工作需要在一定的偏置条件下，我们称之为静态工作点。这是晶体管立足的根本，是它自身的“定位”。每个晶体管都给自己进行了一定的定位，其定位不同将决定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在着不同的性能表现。有些定位点上起伏较小，适合于小信号工作；有些定位点上起伏较大，适合于大功率输出；有些定位点上索取较少，释放纯粹，适合于低噪声工作；有些定位点，晶体管总是在饱和和截止之间徘徊，处于开关状态。一个恰当的偏置点，是正常工作的础。在设计宽带功率放大器时，或工作频率较高时，偏置电路对电路性能影响较大，此时应把偏置电路作为匹配电路的一部分考虑。

偏置网络有两大类型，无源网络和有源网络。无源网络(即自偏置网络)通常由电阻网络组成，为晶体管提供合适的工作电压和电流。它的主要缺陷是对晶体管的参数变化十分敏感，并且温度稳定性较差。有源偏置网络能改善静态工作点的稳定性，还能提高良好的温度稳定性，但它也存在一些问题，如增加了电路尺寸、增加了电路排版的难度以及增加了功率消耗。

稳定电路一定要在匹配电路之前，因为晶体管需要将稳定电路作为自身的一部分存在，再与外界接触。在外界看来，加上稳定电路的晶体管，是一个“全新的”晶体管：做出一定的“牺牲”，获得了稳定性。稳定电路的机制能够保证晶体管顺利而稳定地运转。

3.输入输出匹配电路

匹配电路的目的是在选择一种接受的方式。对于那些想提供更大增益的晶体管来说，其途径是全盘的接受和输出。这意味着通过匹配电路这一个接口，不同的晶体管之间沟通更加顺畅，对于不同种的射频放大器类型来说，匹配电路并不是只有“全盘接受”一种设计方法。一些直流小、根基浅的小型管，更愿意在接受的时候做一定的阻挡，来获取更好的噪声性能，然而不能阻挡过了头，否则会影响其贡献。而对于一些巨型功率管，则需要在输出时谨小慎微，因为他们更不稳定，同时，一定的保留有助于他们发挥出更多的“不扭曲的”能量。

典型的阻抗匹配网络有L匹配、π形匹配和T形匹配。其中L匹配，其特点就是结构简单且只有两个自由度L和C。一旦确定了阻抗变换比率和谐振频率，网络的Q值（带宽）也就确定了。π形匹配网络的一个优点就是不管什么样的寄生电容，只要连接到它，都可以被吸到网络中，这也导致了π形匹配网络的普遍应用，因为在很多的实际情况中，占支配地位的寄生元件是电容。T形匹配，当电源端和负载端的寄生参数主要呈电感性质时，可用T形匹配来把这些寄生参数吸收入网络。

三、射频放大器的9个主要性能指标

1.输出功率和1dB压缩点(P1dB)。输入功率超过一定值时，晶体管的增益开始下降，最终输出功率饱和。如果放大器的增益偏离常数或低于其他小信号增益1dB，这个点就是1dB压缩点(P1dB)。 放大器的功率容量通常用1dB的压缩点表示。

2.增益。工作增益是测量放大器放大能力的主要指标。增益的定义是放大器输出端口传输到负载的功率与信号源实际传输到放大器输入端口的功率之比。增益平坦度是在一定温度下放大器增益在整个工作频带内变化的范围，也是放大器的主要指标。

3.工作频率范围。一般是指放大器的线性工作频率范围。当频率从DC开始时，放大器被认为是直流放大器。

4.效率。放大器是功率元件，所以需要消耗供电电流。因此，放大器的效率对整个系统的效率非常重要。功率效率是放大器的高频输出功率与提供给晶体管的直流功率之比。NP=RF输出功率/直流输入功率。

5.交调失真(IMD)。交调失真是具有不同频率的两个或更多个输入信号通过功率放大器而产生的混合分量。这是因为放大器的非线性特点；其中，三阶交条产物特别接近基波信号，影响最大，因此交调失真中最重要的是三阶交：三阶交调产物越低越好。

6.三阶交条截止点(IP3)。图基波信号的输出功率延长线与三阶交条延长线的交点称为三阶交条截止点，用符号IP3表示。IP3也是放大器非线性的重要指标。输出功率一定时，三阶交条截止点的输出功率越大，放大器的线性度越好。

7.谐波失真。输入信号增加一定程度后，放大器工作到非线性区域，产生一系列的高次谐波。在大功率放大器系统中，需要通过滤波器将高次谐波降低到60dBc以下。

8.动态范围。放大器的动态范围通常是指从最小可检测信号到线性工作区的最大输入功率之间的差。当然，这个值一定越大越好。

9.输入输出驻波比。驻波比是非常重要的指标，显示了射频放大器和系统整体的匹配程度。输入输出比变差时，系统的增益波动和群延迟会变差。但是，驻波比高的放大器很难设计，一般的系统要求放大器的输入驻波比小于2:1。

四、射频功放设计里的 “硬骨头”