射频功率放大器电路图，射频功率放大器芯片

基本思维方式

射频功率放大器（RF PA）是传输系统的关键部分，其重要性不言而喻。在发射机前端电路中，调制振荡器电路产生的射频信号功率很低，因此必须经过一系列放大级（缓冲级、中间放大级、最后功率放大级） ）在从天线馈送之前，有足够的射频功率可用并辐射。为了获得足够的射频输出功率，必须使用射频功率放大器。调制器产生射频信号后，射频调制信号被RF PA放大到足够的功率，经过匹配网络，从天线辐射出去。

放大器的作用是将输入内容放大并输出。我们称之为“信号”的输入/输出内容通常用电压或功率来表示。对于放大器这样的“系统”来说，它的“贡献”就是将其“吸收”的东西增强到一定程度，然后“输出”到外部。功放性能越好，就越能贡献和体现功放本身的“价值”。如果放大器出现某些问题，不仅可能在开始工作后或运行一定时间后无法提供“贡献”，而且可能会出现意想不到的“振荡”。放大器对外界的影响本身就是致命的。

射频功率放大器的主要技术指标是输出功率和效率，如何提高输出功率和效率是射频功率放大器设计目标的核心。高频功率放大器通常使用LC谐振电路来选择基频或特定谐波以实现无失真放大。除此之外，输出的谐波含量应尽可能小，以避免对其他通道的干扰。

分类

根据不同的工作条件，功率放大器分为：

传统线性功率放大器的工作频率虽然很高，但频带比较窄，射频功率放大器一般采用选频网络作为负载环路。射频功率放大器根据电流导通角的不同可分为A（A）、B（B）、C（C）三种工作状态。 A类放大器电流的导通角为360，适合小信号/低功率放大，B类放大器电流的导通角为180，C类放大器电流的导通角为180。小于180。 B级和C级都适用于大功率工况，C级工况的产量和效率是三种工况中最高的。大多数高频功率放大器都工作在C类，但C类放大器的电流波形失真太大，只能在调谐环路用作负载谐振功率放大器时使用。由于调谐环路具有滤波功能，环路电流和电压仍然接近正弦波，失真很小。

开关模式PA (SMPA) 在开关状态下运行电子设备。常见的有D类（D）放大器和E类（E）放大器。 D 类放大器比C 类放大器效率更高。 SMPA 驱动有源晶体管进入开关模式。晶体管的工作状态为导通或截止。其电压和电流时域波形没有重叠，从而实现零直流功耗和理想的效率。达到100%。

传统的线性功率放大器增益和线性度高，但效率低，而开关功率放大器效率高，输出功率高，但线性度较差。请参阅下表了解更多信息。

电路配置

放大器的类型有很多种，但简单来说，放大器电路由晶体管、偏置和稳定电路以及输入和输出匹配电路组成。

1. 晶体管

晶体管的类型有很多种，现已发明了多种结构的晶体管。本质上，晶体管充当受控电流或电压源，其工作机制是将无内容的直流能量转换为“有用”的输出。直流能量从外部获得，被晶体管消耗，并转换成有用的成分。不同的晶体管有不同的“能力”，比如它们承受功率的能力，但这也是由于它们拾取直流能量的能力不同，比如它们有不同的响应速度，所以它们可以工作得更宽、更快。就看你能不能做到。不同频段的输入输出端阻抗不同，对外响应能力不同，决定了匹配的难度。

2. 偏置电路和稳定电路

虽然偏置电路和稳定电路是两种不同的电路，但它们往往很难区分，可以放在一起讨论，因为它们具有相似的设计目标。

晶体管必须在一定的偏置条件下工作，称为静态工作点。这是晶体管的基础，也是晶体管本身的“定位”。每个晶体管都有特定的布局，不同的布局决定了工作模式，不同的布局也给出了不同的性能。波动小，适合小信号运行的定位点，波动大，适合大功率的定位点，体积要求低，纯释放的定位点，适合低噪声运行。这些点带有晶体管，始终不受干扰。饱和状态，徘徊于截止点之间，处于开关状态。良好的偏置点是正常工作的基础。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，因此偏置电路也必须作为匹配电路的一部分来考虑。

偏置网络主要有两种类型：无源网络和有源网络。无源网络（例如自偏置网络）通常由电阻网络组成，该电阻网络为晶体管提供适当的工作电压和电流。其主要缺点是对晶体管参数的变化非常敏感，温度稳定性差。有源偏置网络可以提高静态工作点稳定性和良好的温度稳定性，但也存在电路尺寸增大、电路布局难度增加、功耗增加等问题。

稳定电路必须放置在匹配电路之前，因为晶体管在与外界接触之前必须有稳定电路作为其自身的一部分。从外部看，连接到稳定电路的晶体管是一个“新”晶体管。稳定是通过做出某些“牺牲”来实现的。稳定电路的机制确保晶体管平稳稳定运行。

3. 输入/输出匹配电路

匹配网络的目的是选择可接受的方法。对于想要提供更多增益的晶体管来说，方法就是全力以赴。这意味着通过匹配电路接口，不同晶体管之间的通信更加顺畅，但对于不同类型的放大器来说，匹配电路并不是唯一“一刀切”的设计技术。一些具有低直流和浅基础的小管往往会在接收上做一些阻塞以获得更好的噪声性能，但太多的阻塞会影响它们的贡献。一些巨大的功率管不稳定，所以你必须小心输出，但同时保证一定的量可以让你传递更多“不失真”的能量。

典型的阻抗匹配网络包括L型匹配、型匹配和T型匹配。其中，L匹配结构简单，只有L和C两个自由度。一旦确定了阻抗转换比和谐振频率，网络的Q值（带宽）也就确定了。 型匹配网络的优点之一是它可以吸收连接到网络中的任何类型的寄生电容。这也导致了型匹配网络的广泛应用。寄生元件是电容器。 T匹配：如果源端和负载端的寄生参数主要是感性的，可以使用T匹配将这些寄生参数吸收到网络中。

如何保证射频PA的稳定性

所有晶体管都可能不稳定。稳定性好的电路可以与晶体管集成，形成“可持续运行”模式。稳定电路实现可分为两种类型：窄带和宽带。

窄带稳定电路消耗一定量的增益。这种稳定的电路是通过增加一定的消耗和选择电路来实现的。在该电路中，晶体管只能在很窄的频率范围内起作用。另一种宽带稳定性是引入负反馈。该电路可以在很宽的范围内工作。

不稳定的根源是正反馈，而窄带稳定的思想就是抑制一部分正反馈，这自然也抑制了它的贡献。如果处理得当，负面反馈会带来更多令人愉快的好处。例如，负反馈可以阻止晶体管匹配，但在不匹配的情况下它们仍然可以与外界进行良好的通信。此外，负反馈的引入提高了晶体管的线性性能。

RF PA效率提升技术

晶体管效率存在理论上的限制。该限制取决于偏置点（静态工作点）的选择。此外，设计不当的外围电路会显着降低效率。目前，工程师没有太多提高效率的方法。这里我们只讨论两种类型：包络跟踪技术和Doherty技术。

包络跟踪技术的本质是将输入分为相位和包络两种类型，并用不同的放大器电路对每种类型进行放大。这样，两个放大器就可以专注于各自的部分，两个放大器可以协同工作，达到更高效率利用的目标。

Doherty技术的精髓在于，它使用两个相同类型的晶体管，当输入较小时，只有一个工作，并且工作效率很高。当输入增加时，两个晶体管同时工作。该方法的基础是两个晶体管必须隐式协作。一个晶体管的工作状态直接决定另一个晶体管的工作效率。

RF PA 面临的测试挑战

功率放大器是无线通信系统中的关键组件，但由于它们本质上是非线性的，因此可能会导致频谱扩展，从而干扰相邻信道并违反法律规定的带外发射标准。这一特性还会导致带内失真，增加通信系统的误码率（BER），降低数据传输速率。

在峰值平均功率比(PAPR) 下，新的OFDM 传输格式会导致峰值功率更频繁地出现，从而使PA 不太可能被分段。这会降低频谱模板的合规性，在整个波形上扩展EVM，并提高BER。为了解决这个问题，设计工程师经常故意降低PA的工作功率。不幸的是，这是一种非常低效的方法，因为将PA 的工作功率降低10% 会导致90% 的直流功率损失。

当今大多数射频PA 支持多种模式、频率范围和调制模式，从而增加了测试项目的数量。拥有数千个测试项目已不再罕见。应用波峰因数降低(CFR)、数字预失真(DPD) 和包络跟踪(ET) 等新技术有助于优化PA 性能和功率效率，但这些技术也使测试变得更加复杂，只是需要更多时间。测试时间。增加RF PA 的带宽会使DPD 测量所需的带宽增加5 倍（可能超过1 GHz），从而进一步增加测试复杂性。

RF PA 组件和前端模块(FEM) 的趋势是更加紧密地集成以提高效率，单个FEM 支持更广泛的频段和调制模式。将包络跟踪电源或调制器集成到FEM 中可以有效降低移动设备内的总体空间要求。添加大量滤波器/双工器插槽以支持更宽的工作频率范围会增加移动设备的复杂性和测试项目的数量。

半导体材料的变化：

覆盖Ge（锗）、Si（硅）GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）、SiGe（硅锗）、SOI（覆盖有绝缘层）硅）碳纳米管（CNT）石墨烯（graphene）。

目前，GaAs工艺仍然是主流功放工艺。还有GaAs HBT，砷化镓异质结双极晶体管。其中，HBT(异质结双极晶体管)是由砷化镓(GaAs)层和铝砷化镓(AlGaAs)层构成的双极晶体管。

尽管CMOS工艺已经比较成熟，但Si CMOS功率放大器并未得到广泛应用。从成本上来说，CMOS工艺硅片价格相对便宜，但CMOS功放的布局面积较大，且CMOS PA设计复杂，需要较大的研发成本，总体成本优势较高。功率放大器不太明显。在性能方面，CMOS功放在线性度、输出功率、效率等方面表现较差，加上CMOS工艺的固有缺陷，其中：具有较高的拐点电压和较低的击穿电压；工艺板的高度较低。

碳纳米管（CNT）因其物理尺寸小、电子迁移率高、电流密度高和比电容低而被认为是纳米电子器件的理想材料。

石墨烯作为一种零带隙半导体材料，凭借其较高的电子传输速率、纳米量级的物理尺寸以及优异的电学和机械性能，有望成为下一代高频芯片的热门材料。

RF PA线性化技术

射频功率放大器中的非线性失真会产生新的频率分量。例如，二阶失真产生二阶谐波和双音拍频，三阶失真产生三阶谐波和多音拍频。如果这些新的频率分量在通带内，则会对传输信号造成直接干扰，如果在通带外，则会干扰其他信道信号。为此，高频功率放大器需要进行线性化，这使得它们能够更好地解决信号的频谱再生问题。

射频功率放大器中基本线性化技术的原理和方法无非就是以输入射频信号包络的幅度和相位为参考，与输出信号进行比较，并产生适当的校正。提出并广泛使用的功率放大器线性化技术包括功率回退、负反馈、前馈、预失真、包络去除和恢复（EER）以及使用非线性组件的线性放大（LINC）。更复杂的线性化技术，例如前馈、预失真以及包络去除和恢复，使用非线性组件进行线性放大，并且可以更有效地提高放大器的线性度。然而，相对容易实现的线性化技术，例如电源回退和负反馈，对线性度的改善有限。

1. 断电回滚

这是最常用的方法。换句话说，通过使用高功率管作为低功率管，实际上以牺牲直流功耗为代价来提高功放的线性度。

功率回退法是使功率放大器的输入功率从1dB压缩点开始变化（放大器具有线性动态范围，在该范围内放大器的输出功率随输入功率线性增加），随着输入功率的持续，放大器逐渐进入饱和区和功率增益开始下降，增益低于线性增益1 dB时的输出功率值通常处于输出功率压缩1 dB的点。）并以P1dB表示。）设置回6 至10 分贝，远距离工作。在1dB压缩点以下，功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而提高功率的三阶互调系数。放大器。一般来说，基波功率每降低1dB，三阶互调失真就会改善2dB。

功率回退方法简单易实现，不需要增加额外的设备，是提高放大器线性度的有效方法，但其缺点是效率明显较低。另外，一旦功率回落到一定程度，三阶互调达到-50dBc以下，继续回落将不再改善放大器的线性度。因此，在线性要求非常高的情况下，完全依靠功率回退是不够的。

2. 预失真

预失真是在功放前面增加非线性电路，以补偿功放的非线性失真。

预失真线性化技术的优点是不存在稳定性问题、信号频带较宽、可以处理包含多个载波的信号。预失真技术成本低廉，将几个精心挑选的元件封装成一个模块，连接在信号源和功率放大器之间，形成预失真线性功率放大器。手持移动站功率放大器采用预失真技术，仅使用少量组件即可将互调产物降低几分贝，但这是一个相当大的几分贝。

预失真技术分为两种基本类型：射频预失真和数字基带预失真。射频预失真一般采用模拟电路实现，具有电路配置简单、成本低廉、易于应用于高频、宽频带的优点，但也存在缺点。对光谱成分进行排序。

数字基带预失真是一种很有前途的技术，因为它工作频率低，可用数字电路实现，适应性强，还可以通过提高采样频率和量化阶数来抵消高阶互调失真。预失真器由矢量增益调节器组成，它根据查找表（LUT）的内容控制输入信号的幅度和相位，预失真的幅度由查找表输入控制。经过优化后，矢量增益调节器可提供与功率放大器相反的非线性特性。理想情况下，此时互调产物的输出应该与经过功率放大器的双音信号的输出幅度相等、相位相反，自适应调整模块调整查找表的输入。功率放大器的输入信号和输出信号之间。请注意，输入信号的包络也是查找表的输入。反馈路径对功率放大器的失真输出进行采样，并通过A/D转换将其发送到自适应调节DSP以更新查找表。

3.前馈

前馈技术起源于“反馈”，并不是一项新技术，而是由美国贝尔实验室在20世纪20年代和1930年代提出的。除了在输出中添加校准（反馈）之外，该概念完全是“反馈”。

前馈线性放大器通过耦合器、衰减器、合成器、延迟线、功率分配器等形成两个环路。当输入射频信号时，通过功率分配器将其分成两个通道。一路到主功放，由于其非线性失真，除了需要放大的主频信号外，还在输出端产生三阶互调干扰。一部分信号由主功率放大器的输出组合而成，放大器的主载频信号通过环路1进行偏移，只留下反相的三阶互调产物。环路2经辅放大器放大三阶互调分量后，抵消主放大器非线性产生的互调分量，提高功放的线性度。

前馈技术具有校准精度更高的优点，但没有不稳定和带宽有限的缺点。当然，这些优点的成本较高，但在输出校准时，功率电平较大，因此必须将校准信号放大到更高的功率电平，这就需要额外的辅助放大器，而辅助放大器本身也是如此。需要的，一定会的。必须超出前馈系统规格。

前馈功率放大器有非常高的失调要求，需要匹配幅度、相位和延迟，但随着功率变化、温度变化和器件老化发生，失调不再起作用。为了实现这一目标，系统中考虑了自适应偏移技术，使偏移能够跟随内外部环境的变化。