射频功率放大器的设计(4)

西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文)

第三章给出了射频功率放大器的基本原理，对研究中使用的仿真软件ADS做了简单介绍。

第四章是设计功率放大器的具体流程，给出了每一步的设计步骤，同时给出了电路图以及仿真优化结果

第五章是全文总结，总结了设计功率放大器研究过程中所遇到的问题，以及对本次设计自己的一些见解与看法。

3

西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文)

第二章 射频放大电路设计的基本理论

2.1射频电路设计简介

在一个无线通信系统中，只有前端的一小部分电路工作在射频频段，其余的电路都是进行低频的基带模拟。一般而言，射频前端电路包括射频功率放大器等电路。尽管这部分电路的器件数量比基带电路少很多，但是仍然是整个无线通信系统成败的重要因素。

射频电路设计要求电路设计要求电路设计者掌握多学科领域的相关知识。比如通信原理、微波原理、集成电路设计等，这些学科的知识在一定程度上互不关联，但从射频系统的宏观层面上又紧密地联系在一起；通信原理为系统构架了基本的调制、解调和基带数字信号处理方案接收、发送机系统设计规划了接收机、发送机的结构，集成电路设计理论实现了射频系统所需要的每一个芯片，因此随着射频系统设计向着更高的集成度、更低成本、更先进的解决方案方向发展，射频工程师所要准备的知识量大大增加。

与模拟集成电路设计的八边形法则类似，射频电路设计需要在较宽的动态范围和较高的频率下进行模拟信号处理，因此射频电路设计也有着自身的六边形法则。

除了基站、手机这些人们早已熟知的通信产品之外，射频电路技术还不停地扩展新的消费和工业领域，比如：无线局域网、全球定位系统、射频标签、物联网等。

2.2器件模型

在常见的设计中，往往需要用到低噪声放大器，射频功率放大器以及有源混频器等器件。

多年来，已经出现了许多有源器件的模型。从信号大小上可分为大信号模型和小信号模型。场效应晶体管模型中的射频模型又分为JFET的大(小)信号模型、MOSFET大(小)信号模型、GaAs MESFET大(小)信号模型等。

4

西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文)

2.2.1非线性双极型器件模型

因为双极型晶体管可被考虑为相互作用的PN结对，模拟它的非线性特性的途径与模拟二极管模型是相同的。被定义为:

Ice???Vbc????????V?π=Isat?exp??exp????VVTT???????????? (2-1)

式中，Isat是双极晶体管饱和电流，VT是热电压，由下式计算 VT=kT (2-2) q上式中，q表示电荷， T为绝对温度，单位是开尔文，k代表玻尔兹曼常数。

图2-1 大信号Ebers-Moll模型

2.2.2非线性场效应晶体管器件模型

在信号与系统的概念中，如果一个系统的输出可以表示为每个输入所对应输出的线性叠加，那么我们称这个系统为线性系统，即对于输入x和x（，（1t）2t）有其对应的输出y（（（（1t）和y2t），且可以表示为x1t）?y1t）和

5

西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文)

，那么对应任意常熟a，b有： x（（2t）?y2t） （2-3） ax（?bx（（?by（1t）2t）?ay1t）2t）因此，如果系统不满足式2-3，则为非线性系统。

在射频电路中，由多种各样的有源器件所构成的“线性”放大器，因为有源器件的特性是非线性的，所以这也就导致了总会出现许多不同的失真现象。

在功率放大器中，只有在输入信号相对比较小时，放大器才可以近似看作是一个线性系统；每当输入信号幅度不断增大时，系统会逐渐显现出非线性。非线性会对系统产生一些不利的影响。这些影响主要包括谐波、增益压缩、阻塞、互调以及交调效应。

2.3传输线理论

在电路理论中存在一个假定：当我们不考虑导线的粗细和长度时，电压和电流在我们所研究的导线上是不一样的，有着很大的区别。传输线理论即就是导线长度和波长可比，导线长度方向，电压和电流也是不相等的，传输线是场分析与基本电路理论相联系的通道。随着工作频率的升高，波长会不断减小，当波长可与电路的几何长度互相比较时，传输线上的电压与电流会随着空间位置的变化而不断发生着变化，使得电压与电流呈现出波动性，这与低频电路恰恰不同。封装引线两端电压电流由于所谓的长线效应而有较大区别，电路设计时必须考虑。下面介绍一下传输系统的分类：

传输系统是用来传输电磁能量的线路，和低频段不同，射频微波传输线的种类繁多，从大类上分有三种：

（1） TEM波传输线，包括微带传输线。 （2） 波导传输线，比如矩形和椭圆波导。 （3） 表面波传输线，如常见的介质导波和单根线。 1、双线传输线

作为TEM波传输线之一，双线传输线能将高频电能从一点传到另一点。导线辐射损耗非常之高，所以双线是有有一定范围地应用在射频领域。必须考虑分布电路特性。 2、同轴线

传输线更为普遍的例子是同轴线，中心的铜芯用来传送高电平的，它被绝缘

6

西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文)

材料缠绕着；传输低电平使用外围的金属薄层来传输，同时起到隔离作用。当其频率增加到20Ghz时，近乎全部的检测装置的外接线都为同轴线，在同轴线中，往往外导体是接地的，因此辐射损耗和场外干扰非常小，同轴线中介质材料为聚乙烯。 3、微带线

微带线是当今相对用途广泛的一种平面传输线，它可以通过使用光绘文件来加工，并且容易与其他无源或者有源的微波器件集成。微带线是准TEM模式，它的相速和特征阻抗可以由静态或准静态解获得。微带线又称为非对称微带或标准微带，是一种单接地板介质传输线。它是由双导体传输线逐渐变化过来的，即用一个非常薄的理想导体板进到双导体内，把其中一侧的圆柱移去，再把留下的导体改成带状，并在它与金属板间加入介质材料构成，微带线的电力线分布是左右对称，上下不对称，反之带状线则是左右对称，上下也对称，所以微带线也称为非对称微带线。 微带线适合制作集成电路的平面结构传输线。其重量轻，成本低。

传输线方程是描述传输线上的电压和电流的运动状态，和它们之间的紧密联系。对于一个传输线，其电压与电流关系如下式：

/?z?Ri（z，t）?L?i（z，t）/?t （2-4） -?v（z，t） /?z?Gv（z，t）?C?v（z，t）/?t （2-5） -?i（z，t）

传输线方程即就是公式2-4和2-5。传输线正弦信号源的一个源端接角频率为ω，传输线上V和I的可表示如下：

jwt v(z,t)?ReV(z （2-6） e)?? i(z,t)?Re? I(ze)? （2-7）

jwt 于是即可得传输线方程：

-dV/dz?（R?jwL）I （2-8） -dI/dz?（G?jwC）V （2-9）

上式中，Z=R+jwL是单位长度的串联阻抗，Y=G+jwC是传输线单位长度的并联导纳。

7